电阻应变传感器（共7篇）
电阻应变传感器 篇1
在日常生活中, 我们大量的使用传感器, 例如:电视机的遥控器利用红外光发射接收传感器控制电视;麦克风是一种把声音信号转换成电信号的传感器。传感器亦称换能器, 是利用各种物理、化学及生物效应实现非电量按一定的规律转换成便于处理和传输的电量的装置。电阻应变式传感器是将压力这个物理量转换成电信号输出的一种传感器, 随着加工工艺, 粘贴工艺等的技术进步, 电阻应变式压力传感器的准确度, 可靠性大大提高, 在自动检测与控制技术领域里得到了广泛应用。
一、应变效应
导体或半导体材料因受外力作用, 电阻值随其机械变形而发生变化的物理现象称之为应变效应。金属丝电阻R可表达为R=ρl/A=ρl/пr2.式中ρ为电阻率, 为电阻丝长度, A为电阻丝横截面积。当沿电阻丝长度方向施加均匀力时, 式中l、ρ、r都将发生变化。导致电阻值发生变化。即得到以下结论:当金属丝受外力作用而伸长时长度增加, 截面积减小, 电阻值增大;当金属丝受外力作用压缩时, 长度减小, 截面积增加, 电阻值减小。电阻值变化通常较小。
实验证明:电阻应变片的电阻应变εr=ΔR/R与电阻应变片的纵向应变εx在很大范围内是线性的.即εr=ΔR/R=kεx式中ΔR/R为电阻应变片的电阻应变, k为电阻丝的灵敏度, εr为被测件在电阻应变片上产生的应变。
康铜丝是目前应用最广泛的金属丝式应变材料, 这是因为它的灵敏度系数稳定, 电阻温度系数较小, 加工工艺性能好易于焊接, 为此国内外多以康铜丝作为金属应变式应变片材料。
二、电阻应变式传感器的工作原理
传感器一般由敏感元件, 传感元件和测量电路3部分组成, 以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器, 主要由弹性元件、粘贴于其上的电阻应变片、输出电信号的电桥电路及补偿电路构成。其中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分, 结构形式有多样, 旨在提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。
电阻应变式传感器工作原理是:由于被测物理量 (如载荷, 位移, 压力等) 能够在弹性元件上产生弹性变形 (应变) , 而粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到弹性变形转变成电阻值的变化, 这样电阻应变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化量, 再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。通过测量此电量值达到测量非电量值的目的。
三、电阻应变式传感器的应用
在工程结构的强度分析中, 了解和掌握力, 力矩, 位移, 速度, 加速度以及流体的压力等物理量的大小及其变化规律是十分重要的, 而这些数据的获取常常是通过工程测量, 应用较为普遍的是电测法.
1、测力传感器
测力传感器根据测量的对象不同, 习惯上又称为力传感器, 载荷传感器, 荷重传感器等。
2、扭矩传感器
在扭矩测量中, 电阻应变式扭矩传感器是最常用的一种, 其弹性元件有圆轴, 杆和板等多种形式.圆轴式扭矩传感器的弹性元件感受扭转变形.杆和板式扭矩传感器是将扭转变形转为弯曲变形, 其弹性元件感受弯曲变形。
3、压力传感器
工程测试中的压力测量, 主要是指测量液体或气体在单位面积上作用的压力, 即液体或气体的压强。所以习惯上说的压力传感器, 实际上是压强传感器.它不仅可以测量气体和流体的压力, 还可以用来制造测量高度、密度、速度等仪表。压力传感器按其结构形式可以分为膜片式、圆筒式和组合式等几种。
4、位移传感器
电阻应变式位移传感器与测力传感器的原理相同, 但要求不同。位移传感器弹性元件的要求是刚度小, 弹性元件变形时, 将对被测构件形成一个反力, 影响被测构件的位移数值。位移传感器中与弹性元件相连接的触点直接感受被测的位移, 从而引起弹性元件的变形.为了保证测量精度, 触点的位移与应变计感受的应变之间应保持线性关系。位移传感器的弹性元件可以采用不同的形式, 常用的是梁式和弹簧组合式。
5、加速度传感器
电阻应变式加速度传感器通常由质量块, 弹性元件和基座组成。测量时, 将基座固定在被测对象上, 当被测物体以加速度a运动时, 质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力, 该惯性力使弹性元件产生变形, 此时安装在弹性元件上的应变计将感受粘贴处的应变, 如果把应变计组成电桥则有电压输出。
如今, 信息处理技术, 微处理器和计算机技术的快速发展和广泛应用, 都需要在传感器的开发方面有相应的进展.非电物理量的测试与控制技术, 已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量、称重等技术领域, 而且也正在逐步引入人们的日常生活中。
摘要：本文阐述了应变效应、电阻应变式传感器工作原理及其应用。
关键词：应变效应,电阻应变式传感器,应用
参考文献
[1]于彤《传感器原理及应用》机械工业出版社2010
[2]刘灿军《实用传感器》国防工业出版社2004
[3]刘伟《传感器原理及实用技术》电子工业出版社2009年
[4]中学物理教学参考2005年
电阻应变传感器 篇2
传感器在现代科学技术中的重要作用已被人
们所充分认识,无论是在工业与国防领域,还是在生物工程、医疗卫生、环境保护等领域,处处都离不开传感器的应用[1]。多维力传感器是实现机器人类人化和智能化最为重要的一种传感器,它是工程力学检测和机器人运动控制的基础,其应用范围也越来越广泛[2,3,4]。近年来,随着半导体微加工技术的发展,三维力传感器的研究在国外得到了迅速发展,基于不同工作原理的三维力传感器纷纷推出,如压电式[5]、压阻式[6]等,谐振质量块则有单质量块和多质量块等形式[7,8]。在结构上,三维力传感器有悬臂梁型、双梁型、四梁型、岛型、倒T型等形式[9,10,11]。在实际应用中,有很多场合需要小体积、高灵敏度的三维力传感器,为此,笔者研制了一种新型应变式三维力传感器,该传感器为电阻应变式,采用了一种特殊结构的弹性元件来实现三维力信息的获取。
1 设计原理
电阻应变片是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件,其转换原理基于金属电阻丝的电阻应变效应。将应变片贴在被测定物上,使其随着被测定物的应变一起伸缩,这样应变片里面的金属箔材就随着被测定物应变变化而伸长或缩短。应变片就是应用这个原理,通过测量电阻的变化而对应变进行测定。根据电阻应变计测量应变的理论,电阻丝电阻变化率与应变成线性关系[1],即
式中,dR/R为电阻变化率;K为单根金属丝的灵敏系数;ε为金属丝材料的应变值;dL为金属丝长度伸长量,m;L为金属丝的长度,m。
应变片粘贴在受测物件上后,应变值ε随受载变形电阻值将发生相应的变化,使应变片完成由载荷表示的机械量变成电信号的转换。受载后建立载荷与电阻变化量间的函数关系,通过预先确定的载荷标定曲线可获得测量的载荷值。
由式(1)可以发现,物体的应变从几何学角度上看表现为物体上两点间距离的变化。因此可以将弹性元件的尺寸减小到比应变片基底尺寸略大,通过dL的变化得到应变ε,进一步得到被测力。
2 传感器结构设计
传统的只有单一弹性体结构的传感器弹性体尺寸远大于应变片的尺寸,在弹性体设计方面,经常应用“应力集中”的设计原则,以确保贴片部位的应变水平较高,并与被测力保持严格的对应关系,以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。这样当弹性体尺寸减小时,其应力集中程度急剧下降(例如悬臂梁结构的传感器[12]),从而使贴片部位应变水平大幅下降导致传感器失去实用意义,因此传统的只有单一弹性体结构的传感器尺寸必然远大于应变片尺寸,限制了传感器的使用范围。本文设计了一种新的弹性体结构,使弹性体尺寸减小到与应变片尺寸为同一数量级,满足了小体积测力传感器的使用需求。
弹性体是将外载荷(多维力)转换为应变量的部件,是整个传感器的基础,因此对弹性体的结构形式、材料、几何尺寸(这些因素都对传感器的精度、线性度、灵敏度和稳定性等产生影响)等都需要精心考虑和设计。应变式三维力传感器设计的关键是其结构应在三个方向上对不同方向的力敏感程度不同。本文设计了一种新型的弹性体结构,该传感器由主弹性体、附加弹性体和电阻应变片组成,如图1所示。主弹性体上自上而下开有多层槽孔,上下层槽孔相位相差90°,每个槽孔贯穿长方体的三个面。附加弹性体通过物理方法与传感器主弹性体相连接,起到传递应力的作用,而电阻应变片则贴于附加弹性体上以测量相应的应变。
当主弹性体采用实心结构时,由于弹性体整体刚度很高,所以导致贴片部位应变过小而失去实用意义。为了不增大弹性体的尺寸,必须降低弹性体的整体刚度,因此在此弹性体上加工出多层狭窄的槽孔,相邻槽孔之间的相位差是90°,使上下层槽孔间的薄壁区成为应力敏感区。主弹性体每个表面上加工有相同数目的槽孔,与附加弹性体配合,保持了传感器X向和Z向性能的均衡;90°的相位差最大程度保证了不同表面的薄壁区对不同方向的力敏感,从而使传感器在结构上具有了多维力测量能力;槽孔自上而下的螺旋层式布置,可以保证主弹性体在受力时能够产生足够大的轴向位移,通过附加弹性体传递较大的应变,实现Y向力的测量。由于主弹性体开有槽孔,不利于直接粘贴应变片,因此设计了一薄片式的附加弹性体通过物理方法与传感器主弹性体相连接,把应变片粘贴在附加弹性体的外表面上。附加弹性体一方面保证了应变片的整体受力,有利于应变片性能的充分利用,另一方面使粘贴应变片的各个表面的刚度和强度尽可能一致,均衡传感器的各向性能。此外,为了最大程度地利用主弹性体产生的应变,并减小贴片位置精度对传感器灵敏度的影响,在设计弹性体时,尽可能将槽孔开在应变片敏感栅的尺寸范围之内。
该附加弹性体上设计了四个贴片位置A、B、C、D,用于粘贴金属箔式应变片。A贴片和C贴片用于测量X方向的力FX。在力FX的作用下,A贴片和C贴片处产生弯矩,贴于A表面的应变片处于正应力区(拉应力),贴于C表面的应变片处于负应力区(压应力)。由于应变片的压阻效应,上下贴片的阻值会发生变化。阻值变化通过惠斯登电桥的放大作用,使桥路输出电压发生比较大的变化,通过测量电压值变化量就可以得到相应的力值,从而实现力-电转化。同样道理,B贴片和D贴片用于测量Z方向的力FZ。在力FY作用下,四片附加弹性体都受拉力的作用,四片应变片都处于正应力区(拉应力),而在X方向力或Z方向力的作用下,四片应变片总有两片应变方向相反(一正一负),另两片敏感方向与力的方向垂直,由于横向效应带来的应变微小,且理论上整片应变片的应变输出能够正负相抵,因此可认为应变片对Y方向的力不敏感,故可以通过惠斯登电桥的放大作用体现Y向力-电之间的关系。总之,通过连接在主弹性体上的四片电阻应变片可以测量各个面上的变形,进而求得被测力的三个分量(FX,FY,FZ)。
3 模型的有限元分析
3.1 传感器的几何建模
有限元分析软件ANSYS是传感器仿真设计中的强大工具,在应变分析和固有频率求取方面具有高度可信的仿真结果[13,14,15]。弹性体材料和结构参数不同,传感器的灵敏度和固有频率就不同。根据实际应用的需要,笔者选用硬铝合金为主弹性体材料,酚醛树脂片为附加弹性体,两者通过物理粘贴方式相连。主弹性体的尺寸为10.0mm×10.0mm×16.0mm,应变片选用中航电测仪器厂生产的BE350-10A,其敏感栅尺寸为10.0mm×4.8mm,基底尺寸为13.8mm×6.6mm。
3.2 弹性体应变计算
在有限元分析中,根据传感器安装固定的方式在主弹性体底面施加面约束,分别在长方体顶部端面中心施加满量程集中力载荷,受力的坐标轴如图1所示。
为了求得式(1)中的dL,即应变片敏感栅长度方向上距离的变化,在ANSYS中采用位移在Y方向上的投影进行求解,分别求出受力后应变片敏感栅上下边界的Y坐标,两者相减即为dL。由于应变片敏感栅具有一定的宽度,不同宽度处的应变值不同,因此不能使用一条线上的dL代表整片应变片的轴向变形。为了使求得的dL能代表整个应变片敏感栅的变形量,我们使用平均变形量代表一片应变片的dL。我们将敏感栅总体宽度分为20份,相当于使用21条线的平均变形量代表一片应变片的dL,然后根据式(1)求得应变ε。求dL的具体方法如下:首先采用ANSYS的路径映射技术将位移结果映射到选定的路径上(应变片敏感栅上下边界),每条路径默认分为20份,即将4.8mm均分为20份,共标记为21点,得到每个点上的坐标,然后由下式求得贴片的变形量dL:
式中,yai为应变片敏感栅上边界第i个标记点的Y坐标;ybi为应变片敏感栅下边界对应上边界第i个标记点的Y坐标。
当X方向受力时,应变片A受到压应力,金属丝长度变短,dL为负值;应变片C受到拉应力,金属丝长度变长,dL为正值;而应变片B和D理论上半边受拉,半边受压,对整片应变片而言,拉压引起的金属丝长度变化互相抵消,输出电阻不变,dL接近零值。应变片金属丝长度方向与弹性体高度方向一致,顶端受力,应变片敏感栅上边界位移远大于应变片敏感栅下边界位移。在ANSYS中利用路径映射可以方便地求得4片应变片敏感栅上边界的位移分布,如图2所示。同理也可求得下边界的位移分布。由图2可见,X方向受力时A片和C片位移较大且分布较均匀,B片和D片位移较小且沿敏感栅中线反向对称。
3.3 传感器有限元分析结果
用上述数据处理方法,分别在X、Y、Z方向上施加大小为5N的力,可以得到各个应变片上的输出结果,见表1。
注:表1中正值代表拉应变;负值代表压应变。
通过结构静力分析可以发现,X方向的力主要影响A应变片和C应变片,一片受拉,一片受压,对B和D位置不敏感;Z方向的力主要影响B应变片和D应变片,一片受拉,一片受压,对A和C位置不敏感;Y方向的力同时影响A、B、C、D应变片,对四片应变片均敏感,四片应变片同时受拉或受压。因此我们可以用A应变片和C应变片应变之差作为一路信号εX,标记为力FX ;B应变片和D应变片应变之差作为一路信号εZ,标记为力FZ ;A、B、C应变片和D应变片应变之和作为一路信号εY,标记为力FY。这与理论分析一致,可以设定传感器共有三组桥路输出。
利用ANSYS的模态分析功能,获得该三维传感器的前三阶固有频率分别为2512.5Hz、2579.4Hz、5823.4Hz,其振型分别为沿X、Z、Y方向的平动。根据其一阶固有频率的2/3来确定该传感器的工作频率带宽为0～1675Hz。
4 解耦分析
基于电阻应变测量的多维力传感器的弹性体结构最理想的情况是,弹性体结构在贴片位置的应变变化通过应变片桥路的转化后所得到的电信号只对被测力的某一个分量敏感,不受其他方向力的影响。但是传感器的弹性体作为一个物理实体,它受到的任何方向的力都会在弹性体的各个位置有所体现,只是表现程度不同而已,因此桥路的输出信号出现维间数据耦合的情况是不可避免的。
维间耦合使多维传感器的性能指标受到明显的影响。要消除或抑制耦合,有两条路径:一是设法消除其产生的根源,这涉及传感器的结构形式和制造工艺等诸多问题,往往难以解决,同时又会增加传感器的制造成本;二是利用标定矩阵,采取模拟或数字信号处理方法消除维间耦合,这种方法既能降低对传感器制造工艺的要求,又能获取较准确的测量结果。
由于该多维力传感器采用了一个结构独特、构造复杂的弹性元件,通过桥路输出搭配实现多维力的测量,所以在设计传感器时,要保证桥路的输出信号能解耦,否则传感器将无法正常工作。为了在设计阶段保证传感器具有良好的解耦性,我们使用ANSYS软件分析弹性体是否能解耦。
从传感器设计原理上讲,若X、Y、Z三方向输出互不影响,则桥路输出应变ε与力的关系为
而实际上三维输出并不一定是完全独立的,而是互相影响、维间耦合的。桥路输出应变ε与力的关系应该为
用矩阵形式可表示为
ε=CF
其中,应变ε为输出应变向量,C为解耦矩阵,F为负载力向量。解耦矩阵C可以通过标定获得,其元素CXY的物理意义为:在Y 方向施加单位载荷力时,X方向上的电压输出值。因此,需要轮换在X、Y、Z方向上施加一组已知的定值载荷。每次加载时都必须求出三个桥路的输出应变ε。根据ANSYS求出的输出应变ε获得九条传感器桥路特性曲线(X、Y、Z方向分别加载时,三组桥路输出的应变ε特性曲线),将特性曲线通过最小二乘法拟合成一条直线,将直线方程转化为y=kx+b的形式。该直线的斜率k对应解耦矩阵中九个系数中的一个。
对某个采用主弹性体和附加弹性体结构的传感器,使用有限元软件进行仿真分析,若在X方向分别施加一组大小不等的定值力(0、2、3、5)N,在ANSYS中可分别求出相应的位移,计算结果如表2所示。
根据最小二乘法拟合成三条直线,即为FX方向输出应变特性曲线,三条直线的斜率分别对应CXX、CYX、CZX,如图3所示。
由图3可得,CXX=443.094,CYX =131.597,CZX =11.178。同理可得FY方向和FZ方向输出应变特性曲线,获得解耦矩阵的相关系数。
根据最小二乘法拟合直线求得解耦矩阵的系数的方法,可以获得解耦矩阵C:
这样式(4)即为
根据式(6),已知弹性体的受力可以求得桥路输出应变。反之,已知桥路输出应变也可求得施加在弹性体上的力,即
采用最小二乘法拟合直线这种做法的前提是假定弹性体在任意一个方向上受力时位移都是线性变化的,为了验证这一假设的正确性,下面进行反算验证。
分别任取两组数据,一组FX=-1N、FY=-2N、FZ=-4N,一组FX=-2N、FY=-3N、FZ=-3.5N,一种做法是在ANSYS中分别求出两组力下弹性体的应变输出,另一种做法是将两组力分别代入式(6),求出桥路的应变输出。两种做法得出的结果如表3所示。
比较两种方法的结果可以看出,两个结果极其接近,这一方面说明线性位移的假设是正确的,另一方面也说明了弹性体具有良好的解耦性,即可依据式(7)由测得的桥路应变输出求得施加在弹性体上的力。
5 传感器静态标定
在标定实验设计中,根据力传感器的特点和现有实验条件,把重力作为静态标定的标准量。重力具有获取容易、数值恒定、方向性好等优点。具体做法是,先逐级给传感器输入一个标准载荷(砝码),再将载荷逐级减小到零,将每个载荷下传感器的输出记录下来,得到传感器的标定曲线。图4所示为X轴标定曲线,纵坐标值反应应变的程度,横坐标值是重力的大小,同理可得到其他方向的标定曲线。由标定结果可知,传感器存在维间耦合,因此有必要利用标定矩阵消除维间耦合,提高传感器测量结果的准确性。
根据标定曲线计算可知:X轴的直线度为1.1%,在Y方向和Z方向上产生的干扰输出很小,最大干扰误差小于5.5%。同理,Z轴的直线度为0.7%,在X方向和Y方向上产生的干扰输出也很小,最大干扰误差小于5.0%。而Y轴受四片应变片的综合影响,直线度为9.6%,在X方向和Z方向上产生的干扰输出较大,最大干扰误差小于15.2%。
6 结构参数对传感器性能的影响
采用主弹性体和附加弹性体结构的传感器,影响其灵敏度和固有频率的结构因素主要有槽孔数量、槽孔大小、孔间薄壁的高度、附加弹性体的材料和厚度等,这些参数中的任何一个都能改变传递到应变片上的应变和传感器的强度和刚度,影响传感器的性能。
在外形尺寸参数不变的情况下(图1),主弹性体上的槽孔横向深度可以有不同的量值,例如6mm、7mm、8mm、9mm等。在有限元中可以考察不同槽孔横向深度对传感器性能的影响,为了便于比较,每个方向上的力均取为5N,仿真分析结果如表4所示。
由表4可以看出,随着槽孔横向深度的增加,输出应变随之增大,而固有频率随之减小,这是因为槽孔横向深度越大,对弹性体刚度和强度破环越严重。综合对比各组数据可以发现,X向输出应变和Z向输出应变明显大于Y向输出应变,这是因为X向和Z向具有明显的悬臂梁特征,而Y向的悬臂梁特征不明显,故Y向刚度明显大于X向和Z向刚度,导致应变输出较小。
传感器的结构参数决定了传感器的性能,因此可以通过修改结构参数来满足传感器不同量程、灵敏度以及固有频率等性能指标的要求。
7 结论
(1)设计了一种新型的电阻应变式传感器,该传感器采用主弹性体和附加弹性体的特殊结构,有效减小了传感器的体积,结合适当的电桥组桥方式实现了三维力的测量。
(2)采用有限元仿真解耦分析法,能准确判断复杂结构传感器的解耦性。但是需要注意的是,有限元仿真解耦分析法得到的解耦矩阵不能代替传感器的静态标定矩阵,实际传感器由于其制造误差、贴片误差及电路等的影响,其静态标定矩阵不同于耦合分析中的解耦矩阵C。
(3)提出的新的弹性元件结构设计方法能在同样的测量条件下提高传感器的灵敏度,同时还可以按照测量需要修改弹性元件参数,方便地改变传感器的灵敏度。可以选择传感器各轴向灵敏度及其一致性和固有频率等设计目标进行结构尺寸优化,进一步提高传感器性能,满足不同的使用要求。
电阻应变传感器 篇3
下料机是借助于机械运动的作用力加压于刀模, 对材料进行切割加工的机器, 是一些轻工行业不可缺少的设备。重复定位精度是下料机生产、加工过程中一项最重要的技术要求, 重复定位精度的高低直接影响被加工产品的质量。因 此, 实时、准确、可靠地获取下料机的重复定位精度, 对于提高下料机 的生产精度、保障其有效运行十分重要。本文提出的通过电阻应变式位移传感器在下料机生产过程中实时测量重复定位精度的方法能够进行实时检测, 准确性更高, 可靠性更强。
1研究现状
目前, 国内关于下料机的现行标准为QB/T1347—1991《下料机》, 标准中对下料机工作精度的要求为“压板作五次冲裁动作, 其下限重复定位精 度误差不 大于±0.30 mm”。随着制鞋工业的飞速发展, 有些高端客户对制鞋机械的加工精度要求不断提高。例如, 对于国内制鞋机械的厂家出口到国 外的产品, 外商客户提 出, 要求制鞋 机械的重 复定位精 度不大于±0.08mm, 这就对生产企业提 出了更高 的加工精 度要求, 相应对检测技术的要求也随之提高。传统的检测重复定位精 度的方法是在工作台面压板底平面上选择一个光滑的测试点, 将直径大于或等于3mm的保险丝平放, 适当调节压板高度后作冲裁动作, 取5次测试值中最大值与最小值, 其差的1/2应在规定范围之内[1]。而这种方法的缺点是 不能实时 获取测量 数据, 必须在一次启停过程中完成一次测量, 不能准确地测量 重复定位精度。
目前, 电阻应变式位移传感器因具有高 灵敏度、高测 量精度和强抗干扰性的特点, 而被大量应用于工业测量领域, 如在轨道动态位移测试中的应用等[2]。
2电阻应变式位移传感器的原理
电阻应变效应是指金属导体的电阻在导体受力 产生变形 (伸长或缩短) 时发生变化的物理现象。当金属电阻丝受到轴向拉力时, 其长度增加而横截面变小, 引起电阻增加。反之, 当它受到轴向压力时则导致电阻减小。根据电阻定律, 在温度不变时, 电阻值R与长度l成正比, 与横截面积A成反比, 与电阻率ρ成正比[3]。即:
电阻的变化量为:
电阻的相对变化量则为:
对于半径为r的圆导体, A=πr2, ΔA/A=2Δr/r。
又由材料力学可知, 在弹性范围内:
那么从公式 (3) 推出:
式中, ε为导体的纵向应变, 其数值一般很小, 常以微应变度量;μ为电阻丝材料的泊松比, 一般金属丝μ=0.3~0.5;Ks为电阻的灵敏系数, 一般金属丝Ks=1.6~2.0。
电阻应变式位移传感器是以弹簧和悬臂梁串 联作为弹 性元件, 在矩形界面悬臂梁根部正反两面贴4片应变片, 并组成全桥电路, 拉伸弹簧一端与测量杆连接, 当测量杆随试件 产生位移时, 带动弹簧使悬臂梁根部产生弯曲, 弯曲所产生的 应变与测量杆的位移呈线性关系。这种传感器具有线性好、分辨率较高、结构简单和使用方便等特点[4]。
3试验结果与分析
本文分别采用冲压保 险丝和电 阻应变式 位移传感 器对1台型号为XCLB2-100的液压摆臂下料机的重复定位精度进行检测, 厂方要求该机型的重复定位精度不大于 +0.08mm。电阻应变式位移传感器数据采集试验系统如图1所示。该下料机的冲裁动作频率为60次/min, 在100s范围内采用电阻应变式位移传感器动态测量该机器的重复定位精度。
在相同工况条件下, 选用直径为5mm的保险丝若干, 采用冲压保险丝的方法同时测量。
式中, ξ为重复定 位精度 (mm) ;b为保险丝 受压方向 的高度 (mm) ;i为保险丝编号, 为1~5。
2种方法测量的数据比较如图2所示。经比较, 在相同工况下100s时间内测量下料机的重复定位精度, 采用冲压保险丝法采集20组数据, 不大于 +0.08 mm的数据有6组, 而采用电阻应变式位移传感器法共计采集99组数据, 不大于+0.08mm的数据有67组。可以看出, 采用冲压 保险丝法测量下料机的重复定位精度效率低下, 自动化程度不 高。而采用电阻应变式位移传感器法测量可以更加真实地反映下料机的重复定位精度, 并且能够持续实时动态监控下料机的重复定位精度。
4结语
应用电阻应变式位移传感器测量下料机的重复定位精度, 能够实时动态监控下料机工作精度的状态, 给执行机构反馈信号, 实时调整下料机的重复定位精度, 从而加工出更高精 度的产品。因此, 采用电阻应变式位移传感器动态测量下料机的重复定位精度对指导生产有一定的意义。
参考文献
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[2]张明聚, 王志刚.电阻应变式位移传感器在轨道动态位移测试中的应用[J].石家庄铁道学院学报, 1994, 7 (1) :59~64
[3]梁福平.传感器原理及检测技术[M].华中科技大学出版社, 2010
电阻应变片粘贴技巧 篇4
关键词：电测法,电阻应变片,粘贴技术
1 概述
电测法是工程结构中常用的实验、测试方法之一，结合利用测得的应变值，求得应力等参数值，可对工程的安全性进行评价。通过在构件被测点处粘贴电阻应变片(以下简称应变片)，将构件被测点的应变值转换为应变片的电阻变化，再利用电阻应变仪测出应变片的电阻变化率，经应变仪并直接输出被测点的应变值，然后依据虎克定律计算出构件被测点的应力值[1]。在电测法中，主要设备是电阻应变片和电阻应变仪。
1.1 应变片
电阻应变片是将应变变化量转变成电阻变化量的转换组件。应变电测法具有感受元件重量轻，体积小;量测系统信号传递迅速、灵敏度高、可遥感，便于与计算机连用及实现自动化等优点。其主要缺点是连续长时间测量会出现漂移，原因在于粘合剂的不稳定性和对周围环境的敏感性所致。
由物理学定律可知，金属丝的电阻R与其本身长度L成正比，与其横截面积A成反比，用公式表示为:
其中，R为电阻丝的电阻值，Ω;ρ为电阻率，Ω·mm;L为电阻丝的长度，mm;A为电阻丝的截面面积，mm2。
当电阻丝受到拉伸或压缩时，式(1)中的L,A，ρ将发生变化。设变形后其长度变化为ΔL，如图1所示，若此时对式(1)两端同取自然对数，即得:
对式(2)进行求导，有:
因为金属电阻线受轴向拉伸(压缩)作用时，d A/A=2d D/D=-2μ(d L/L)(μ为电阻丝材料的泊松比)，所以式(3)可写成:
其中，d L/L为应变片轴向应变ε。
由式(4)进一步可得:
令式(5)为K0，称为单丝灵敏系数，为一常数。因应变片由单丝绕成，对于应变片，可推出下式:
其中，K为应变片的灵敏系数。
式(6)表明:应变片的电阻变化率与应变呈线性关系，即电阻变化率是其应变值的K倍。当应变片粘贴在被测试构件上时，会随构件受力而产生主变形。应变片的应变即反映了构件在测试位置长度内的应变。即实现了应变片的应变—电阻变化及电量—非电量之间的转换关系[2]。
1.2 电阻应变仪
电阻应变仪的测量电路，一般采用惠斯登电桥，其作用是测得应变片的电阻变化率，进而测得构件应变。如图2所示，在四个臂上分别接入电阻R1,R2,R3,R4，在A,C端接入电源，B,D端为输出端。
根据基尔霍夫定律，当桥臂上各电阻值发生变化时，惠斯登电桥输出端电压UBD与输入端电压U的关系如下:
在实际使用中，按照不同的组桥方式还可分为:
1)全桥:即四个桥臂上均接有工作片。
2)半桥:即四个桥臂上只有两个桥臂接有工作片，剩余两应变片只起连通电路作用，电阻值不发生变化(应变为0)。
3)1/4桥:四个桥臂上只有1个桥臂接有工作片，此时相邻桥臂接温度补偿片。此桥路形式在实际中应用较多[2]。
应变片的种类很多，可按其所用材料、使用的工作温度以及不同的用途分类。按敏感栅所用材料可分为金属电阻应变片(金属丝式应变片、箔式应变片和薄膜应变片)和半导体应变片等;按使用温度可分为低温、常温、高温等，具体可参考相关文献。
2 应变片的粘贴步骤
在电测技术中，电阻应变片的粘贴技术比较复杂，工作量大，应变片粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大，是一个非常关键性的环节，必须予以注意。另外，应变片不能重复使用，消耗量也比较大，因此应一次成功。应变片的粘贴具体步骤如下。
2.1 选片
选择应变片的规格和形式时，应注意到构件的材料性质和构件的应力状态。因应变片测出的是平均应变，在构件应力变化范围较大时，一般选用小标距应变片;而在混凝土表面，宜选用大标距的应变片。确定应变片类型后，还要逐片进行外观检查，用肉眼或放大镜检查应变片丝栅是否平直，片内有无气泡、斑锈点等缺陷，不合格的片应剔除;然后用万用表逐片测定阻值，电阻值差应在±0.5Ω范围内[3]。
2.2 测点表面的清洁处理
为使应变片与被测构件粘贴得牢固，对测点表面要进行清洁处理。
1)钢筋表面贴片的清洁步骤如下:
a．对带肋钢筋，将测点表面用砂轮进行粗打磨(圆钢跳过此步)，打磨平面大小在满足应变片面积时，尽量要小，否则会影响钢筋有效承载面积，会使测试结果与实际出现较大偏差;
b．用锉刀进行手工细打磨;
c．用0号砂纸沿着45°角方向进行精度打磨，使测点表面平整;
d．棉签蘸丙酮擦洗表面，到棉签不黑为止;
e．用划针在贴片位置处划出应变片的坐标线。
打磨好的表面，若暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。
2)混凝土的清洁步骤:
a．测量对象为混凝土构件时，则须用喷浆方法把表面垫平(也可采用环氧树脂胶配合固化剂)，然后进行打磨清洗等工作;
b．在贴片部位，还应先涂一层隔潮层，可采用环氧树脂胶配合固化剂，应变片就贴于隔潮底层上。防潮层的厚度以一般约为0.05 mm～0.1 mm为宜，使应变片能和混凝土测点处的变形保持一致;
c．待垫平层固化后，进行其他操作，与钢筋贴片类似。
2.3 贴片
贴片一般采用502胶水，钢筋应水平放置。在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，把应变计轴线对准坐标线，上面盖一层聚乙烯塑料薄膜作为隔层，用手指在应变计的长度方向轻轻滚压，挤出片下气泡和多余的胶水，直到应变计与被测物紧密粘合为止。手指保持不动约数10 s后再放开，注意按住时不要使应变片移动，再检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则须重贴;502胶靠内聚力粘片，注意涂胶量要适中，不要太厚，过多则胶层粘结力反而降低，而且太厚影响应变片性能，过少则胶可能分布不均匀不能准确传递应变(见图3)。
2.4 接线
应变片和应变仪之间用导线连接。需根据环境与试验的要求选用导线。通常静应变测定用双芯多股平行线。在有强电磁干扰及动应变测量时，需用屏蔽线(如附近有信号传输塔)。焊接导线前，先用万用电表检查导线有否断路，然后在每根导线的两端贴上同样的号码标签，避免测点多时造成差错。
1)在应变片引出线下，贴上胶带纸，以免应变计引出线与被测构件(如被测构件是导电体的话)接触造成短路。
2)把导线与应变片引线焊接在一起，固定在接线端子上，焊接时注意防止假焊。焊完后用万用电表在导线另一端检查是否接通。
接线端子相当于接线柱，使用时先用胶水把它粘在应变片引出线前端，然后把应变片引出线及导线焊于接线端子上，其作用有两个方面:首先，保护应变片，避免因外力扯拉外接导线使应变片导线扯断;其次，使应变片的导线和外接导线接触良好，避免点接触。
在上述工作完成后，应对其粘贴质量进行检查和校正。如通过放大镜观察应变片的粘贴位置和方位角是否准确，粘贴表面有无气泡，应变片粘贴是否牢固;用万用表测量应变片有无短路和断路现象。
2.5 防潮处理
防潮处理必须在检查应变片贴片质量合格后立即进行。为避免胶层吸收空气中的水分而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变片进行防潮处理。当室温高于15℃和相对湿度低于60%时可采用自然干燥，时间一般为24 h～48 h。室温低于15℃和相对湿度高于60%要采用人工干燥(红外线等照射或电吹热风)，但人工干燥前要进行8 h的自然干燥，人工干燥的温度不得高于60℃。防潮处理应根据试验的要求和环境采用不同的防潮材料。常用的简易的防潮剂可用703,704硅胶和环氧树脂添加固化剂的混合剂等。
其中采用环氧树脂和固化剂的混合剂能达到一定强度，和构件达到共同变形。但是在配合环氧树脂(V1)和固化剂(V2)时要注意二者的配合比(体积比)，V1∶V2越大，混合剂的固结时间越长，V1∶V2越小，混合剂的固结时间越短，且固结后易脆，影响试验效果。因此在测试前应先试配，确定最佳配合比以免造成材料的浪费影响测试效果。环氧树脂和固化剂的混合剂主要有以下两个作用:
1)因其具有良好的隔潮性能，可起到防潮的作用;
2)对于钢筋混凝土应变片，在浇捣混凝土时骨料很可能会碰到应变片，因其具有一定强度，可以保护钢筋上的应变片不被损坏。
3 结语
在工程结构测试中，应变片的粘贴是电测法中核心的一步，粘贴的质量直接关系到测试的精度，因此在应变片的粘贴过程中要注意的问题如下:
1)严格控制每一操作环节的质量，以减少人为因素对测试结果的影响。
2)做好测点表面的平整度、清洗、胶层厚度等控制，以免影响应变片与构件被测点的共同变形;钢筋表面贴片空间在满足应变片或布线所需空间基础上，避免过大，保证测试精度。
3)若用环氧树脂打底或作为防潮剂，把握好环氧树脂与固化剂的配合比(V1∶V2)，若过大，混合剂固结时间较长;过小，混合剂固结快，且固结后易脆，易与粘结界面分离。
参考文献
[1]汪大鹏,刘美.电测力实验中应变片的粘贴技巧[J].湖南工程学院学报,2003(3):64-65.
[2]马永欣,邓山锁.结构试验[M].北京:科学出版社,2001.
电阻应变传感器 篇5
电阻应变仪是测量结构或构件所受应力应变的仪器, 如果能够与相应的传感器恰当配合使用, 也可用于测量力、压力、扭矩、位移、振幅等物理变化过程, 它是试验应力分析的可靠工具。电阻应变仪按其测量应变变化频率范围可分为静态电阻应变仪和动态电阻应变仪;按供桥电压的不同又可分为直流供桥型电阻应变仪和交流供桥型电阻应变仪。由于电阻应变仪的广泛使用, 对电阻应变仪进行定期校准或检定, 以确保其测量结果的准确、可靠是十分必要的。静态电阻应变仪示值误差的校准或检定一般采用标准模拟应变校准器输出标准应变, 用电阻应变仪所测应变值与标准模拟应变校准器输出值相比较的方法校准电阻应变仪。然而, 在对电阻应变仪的校准或检定过程中, 常常有些计量人员则机械地按照检定规程进行示值误差的校准或检定操作, 使得工作量没有必要地增加了很多, 特别是对多通道电阻应变仪进行校准或检定时更是给检定工作造成一定程度的困扰;那有没有其他无需标准模拟应变校准器的方法对电阻应变仪进行示值误差得校准。作者在计量机构从事电阻应变测量仪器的校准检定工作多年, 工作中曾经出现过、也提出遇到上述问题, 感到有必要总结出来以供广大从事电阻应变仪校准和使用的工作者参考。
1 电阻应变测量原理
电阻应变测量是根据金属丝的电阻率随金属丝的变形而变化的关系, 把力学参数转换成与之成比例的电学参数, 通过测量电学参数并依照一定的比例关系将其转换成试件的应变值。电阻应变测量电路是由应变片和补偿片组成的测量电桥。实验证明:在试件的弹性变化范围内, 金属丝电阻的相对变化AR/R和金属丝长度的相对变化△L/L (即应变ε) 成正比
式中, K为金属丝的灵敏系数。
应变片是利用金属导线的应变一电阻效应制造的对应变灵敏感应的传感元件。应变片的种类有应变片、十字应变片、应变花等。应变的测量有一般抗力测量、复合抗力测量、静应变测量、动应变测量等测量方式。
在电阻应变测量中, 由应变测量电桥来完成电阻的相对变化量 (或称电阻变化率) 转换成电压 (或电流) 的变化量。测量电桥的工作原理如图1所示。由电工学可知电桥输出电压UO为:
电桥输出电压UO=0, 即, 此为电桥平衡条件。通过公式 (1) (2) 推导得到应变仪的读数为: (3)
式中U0为电ε桥的输出电压 (电桥信号输出端电压值) 。
US为桥压。
K为应变计灵敏度系数。
ε为输入应变量。
可见, 对应变仪的读数ε的校准既可通过校准应变测量电桥电阻变化率, 也可通过校准U0和US来实现。
2 利用数字电压表和标准电压源校准静态电阻应变仪示值误差 (源表法)
此方法简称源表法, 共分为三步。如图A、C端为电桥电压端, B、D端为电桥信号输出端。
第一步, 测量桥压。注意测量桥压时必须在桥压端并联一个与桥臂电阻 (应变计电阻) 相同阻值的电阻R0, 用以模拟电阻应变仪真实工作情况下的桥压。
第二步, 根据公式 (3) 得出标准模拟应变量对应的电桥信号输出端电压值。
式中U0为电桥的输出电压 (电桥信号输出端电压值)
US为桥压
K为应变计灵敏度系数
ε为输入应变量
第三步, 在电桥信号输出端输入0 m V或进行短路对静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。零位平衡完成后在电桥信号输出端输入标准电压值, 根据其对应的标准模拟应变量以及电阻应变仪标称值或数组读数。计算得到示值误差。此方法对多通道电阻应变仪示值误差的校准比较方便。
下面以东华测试DH3813型电阻应变仪为例应用源表法。
首先按DH3813型电阻应变仪仪器说明书规定的时间进行预热。其桥压标称值为DC2V。设置应变计电阻为120Ω后使用吉时利公司产2182型数字电压表直接测量电压 (A、C端) 为2.0015V, 在桥压端 (A、C端) 并联一个120Ω电阻后测得实际桥压为1.9996V。
然后在电桥信号输出端 (B、D端) 输入0m V或进行短路。静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。最后在电桥信号输出端使用FLUKE5720型多功能源输入标准直流电压值, 将输入标准电压值根据公式 (3) 换算成标准模拟应变量并对电阻应变仪进行示值误差校准, 以下为校准数据
通过分析测量结果的不确定度为U= (1.0×10-4~2.0×10-4) (k=2) 。
3 利用标准电阻箱, 校准静态电阻应变仪示值误差 (标准电阻箱法)
此方法简称标准电阻箱法, 共分为三步。如图A、C端为电桥电压端, B、D端为电桥信号输出端。
第一步, 按仪器说明书规定的时间进行预热, 设置好应变计电阻值等参数。
第二步, 首先按照仪器说明书规定, 根据1/4桥、半桥和全桥等方式连接好静态电阻应变仪与应变计电阻。这里应变计电阻用稳定性好, 误差在±1%的电阻器代替。然后对静态电阻应变仪 (灵敏系数K=2.00) 进行零位平衡。
第三步, 连接标准电阻箱, 注意连接标准电阻箱的导线尽量选择阻值较小的。进行电阻应变仪示值误差校准, 通过调节电阻箱的输出电阻模拟不同大小的标准应变量。例全桥连接方式如图3, 电阻应变仪A、D端连接标准电阻箱调节电阻箱电阻值可得到正模拟应变量, 若电阻应变仪A、B端连接标准电阻箱可得到负模拟应变量。
下面以协力科技XL2101G型静态电阻应变仪为例应用标准电阻箱法。
按仪器说明书规定的时间进行预热, 设置片阻 (应变计电阻) 为120Ω, 灵敏系数K为2.00, 标定系数为1.000。连接四个电阻器R1、R2、R3和R4, 阻值均为120Ω。然后静态电阻应变仪进行零位平衡。平衡完成后连接ZX54型 (0.01级) 标准电阻箱, 调节电阻箱阻值得到模拟应变量并进行电阻应变仪示值误差校准。如图2将A、D端连接标准电阻箱调节电阻箱阻值得到正模拟应变量, 最后, 将A、B端连接标准电阻箱得到负模拟应变量。以下为校准数据
通过分析测量结果的不确定度为U=5.0×10-4 (k=2) 。
4结束语
以上2种方法通过了作者多年的重复性和稳定性试验后证实简单可靠。特别对于多通道电阻应变测试系统源表法可同时校准多个通道, 方便快捷。在这里贡献给同行, 是希望对静态电阻应变仪的检定校准工作有所裨益。作者不仅是为了总结经验, 如果能得到同行或专家的批评指正, 进一步改进、规范操作流程, 切实提高静态电阻应变仪检定校准的可靠性和工作效率, 作者撰写本文的目的也就达到了。
参考文献
[1]吴扬, 付军立, 王春燕.检定电阻应变仪应注意的几个问题[J].计测技术, 2008.28 (3) .
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电阻应变传感器 篇6
电阻式应变传感器作为测力的主要传感器,测力范围小到肌肉纤维,大到登月火箭,精确度可到0.01—0.1%。是目前测力的基本传感器件之一,因此对于其基本的测量电路的研究与误差分析十分有必要。
1基本结构与原理
电阻应变片是一种能将所受到应变转化为电阻变化的传感元件,一般由 Φ=0.02~0.05mm康铜丝或者镍铬丝绕成的敏感栅构成。
其工作原理是基于敏感栅中的金属丝的应变效应 , 即在金属导体产生形变时 , 它的电阻值发生相应变化。例如一根金属电阻丝 , 在其未受力时 , 原始电阻值为当该丝受到轴向拉力F作用时,电阻值的相对变化为因此可以通过测量变化后电阻值来确定作用力F。
2无差动半桥电路
差动半桥电路如图所示,其中R1为电阻应变片其中R1R4=R2R3相对桥臂阻值乘积相等,Uo大小推导如下:
因为应变片在形变时产生的阻值变化约为0.1%,因此分母中的 ΔR1/R1可以忽略不计,同时令n = R2/R1,由于R1R4=R2R3, 因此n = R2/R1=R4/R3。则可将Uo表示为而电桥电 压灵敏度定义为 :,因此无差动半桥,其中对非线性项进行数学运算,易得灵敏度最大时n=1,即R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时的灵敏度为
而此结果的得出是建立在忽略 ΔR1/R1的数值得出的理想值,因此存在误差,实际真实的数值应该为
因此误差大小为:
因此无差动半桥电路具有非线性误差和不具有温度补偿功能,灵敏度为
3差动半桥与差动全桥电路
在上文的无差动半桥中,不仅存在非线性误差,实际上还存在温度误差,灵敏度不高的缺点,因此可以进行如下两种提升方法,分别是2个应变片的差动半桥和4个应变片的差动全桥
低功耗无线应变传感器的设计 篇7
传统的电阻应变式传感器[1]采用有线数据采集方式,不适用于高速旋转的系统或人员无法接近的特殊环境中。近年来无线应变传感器发展很快,并在许多工业领域得到了广泛应用[2,3,4,5]。大多数无线应变传感器使用电池直接供电,但电池容量非常有限,因此低功耗成为无线应变传感器设计的目标之一。然而现有的无线应变传感器在设计时对于功耗方面的考虑还较少,大多数主要是为了解决有线传输方式中出现的问题[6,7,8,9]。参考文献[10,11,12,13]对无线传感器节点的节能问题进行了相关研究。本文在此基础上,从芯片选择、电路设计和软件设计三个方面考虑,设计了一种以MSP430F149为主控芯片、nRF24L01为无线传输芯片、AD627为前置放大器的低功耗无线应变传感器,并对其进行了节能分析和实验测试。
1传感器总体结构设计
低功耗无线应变传感器主要由数据采集发射子系统和数据接收存储子系统两部分组成,如图1所示。数据采集发射子系统采用纽扣电池供电,通过电源管理模块为传感器、控制器和发送模块提供恒定电压。由应变电桥输出的电压信号经信号处理放大器放大和滤波,进入单片机自带的ADC进行数据转换,然后通过SPI接口装载到无线射频模块,并以无线方式发送出去。数据接收存储子系统通过无线接收模块接收数据,然后经单片机将数据传送给上位机进行存储和进一步处理。
在该应变传感器中,数据采集发射子系统是关键部分。本文将主要介绍该部分的软硬件设计及节能技术。
2传感器硬件电路设计
2.1 主控芯片选择
综合考虑主要功能、运算速度、功耗与节电等因素,无线应变传感器选用MSP430F149单片机作为主控芯片。其主要特点[14]:电源电压范围为1.8～3.6 V;超低功耗,280 μA@1 MHz 2.2 V;2.5 μA@4 kHz,2.2 V;具有LPM0～LPM4五种节电模式,其中LPM4耗电仅为0.1 μA;从等待方式唤醒时间小于6 μs;基本时钟模块包括高速晶体(最高8 MHz),低速晶体(32 kHz),数字控制振荡器DCO,具有3个捕获/比较存储器的16位定时器。
2.2 无线收发模块
无线收发模块负责数据传输,采用nRF24L01芯片设计。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz通用频段的单片无线收发器,具有接收灵敏度高、外围电路少、传输速率高达2 Mbit/s、支持多点间通信、电流消耗低等优点。
无线收发模块电路如图2所示。
2.3 信号处理放大模块
前端信号处理放大模块采用低功耗仪表放大器AD627,电路如图3所示。AD627可采用单电源供电,在85 μA电流下即可正常工作,具有极佳的交流和直流特性[15]。该芯片可以用一个外部电阻RG来设定增益G(G=5+200 kΩ/RG),G最大可达1 000。
2.4 电源电路
在低功耗无线应变传感器中,MSP430F149工作电压为1.8～3.6 V,nRF24L01工作电压为1.9～3.6 V,AD627工作电压为+2.2～±18 V。考虑到采用电池供电,选用TPS62223作为电源稳压芯片。TPS62223的输出电压为2.3 V,典型静态电流为15 μA,在2.5～6 V输入电压范围内同步降压,效率高达95%,适用于电池供电的便捷式系统。电源电路如图4所示。
整个数据采集发射子系统全部采用贴片元件,经电路布线制作,包括纽扣电池和板载天线在内的总体尺寸为25 mm×65 mm,使得该应变传感器体积小。另外,3款主要芯片(MSP430F149、nRF24L01和AD627)市场价都较低,使得应变传感器成本低。
3传感器软件设计
3.1 主控程序
主控程序流程如图5所示。系统初始化包括I/O口、A/D模块、定时器以及nRF24L01的初始化。系统初始化完成后,通过nRF24L01和数据接收存储子系统与上位机通信,接收上位机的命令,对传感器进行设置。当设置完成并接收到上位机发出的开始采集命令后,MSP430F149按照给定的数据采集率设置和启动定时器,通过定时采集和发送实现传感信号的变换和传送功能。定时器启动后,传感器系统进入节能等待状态,此时nRF24L01转换到掉电节能状态,传感器和信号放大处理系统的电源断开,MSP430F149进入LPM3状态,传感器系统进入由数据采集和发射过程组成的主循环。
3.2 定时器中断程序
数据采集发送工作是在定时器中断程序中完成的。MSP430F149在LPM3状态下支持定时/计数器唤醒功能,根据数据采集率可以设置采样定时器的唤醒周期,当定时器溢出时产生并执行定时器中断。首先将MSP430F149从节能状态唤醒,为采样周期定时器赋新值,然后为信号放大处理器和传感器通电。经过一段时间(约300 μs)后即可开启AD转换器进行数据采集。为了保证数据的准确性,取10次转换的平均值作为AD转换结果并存入数据寄存器,最后关断应变电桥和信号处理放大模块电源。
由于nRF24L01一次最多发送32 B,所以需要判断数据寄存器中的数据个数。如果数据寄存器已经存满32 B数据,则唤醒nRF24L01装载并发送数据;如果数据寄存器中未满32 B或者数据发送完毕,则整个系统重新进入节能等待状态。
4节能分析与实验测试
4.1 主要器件节能分析
无线应变传感器中能耗最大的器件是nRF24L01。它在接收状态能耗最大,为12.3 mA;在发射功率为0 dB·m时,能耗为11.3 mA;在掉电模式下的最大能耗为900 nA。系统上电后,nRF24L01自动进入掉电状态,在需要接收或发射时通过置位PWR_UP可很快进入相应状态,在不需要接收和发射时可以很快进入掉电状态,这为nRF24L01的节能应用提供了方便。
传感放大部分的能耗也较大。应变电桥的激励电压由传感器提供,其电阻一般为300～2 000 Ω,在390 Ω情况下,电流约为5.9 mA。放大芯片AD627的电流消耗为85 μA。将二者相加可得传感放大部分的总电流约为6 mA。由于传感放大部分的器件没有节电控制功能,因此本文设计了专门的电源管理电路,在空闲状态下通过MOS管关断电源来实现该部分电路的节电。
MSP430F149是当前能耗最低的单片机,它在正常工作状态下的电流消耗为280 μA,睡眠模式下的电流消耗为1.6 μA。MSP430F149通过控制位SCG0、SCG1、OscOff及CPUOff来实现不同的工作模式,从睡眠状态到唤醒的时间小于0.6 μs。
4.2 系统能耗分析
当传感器处于采集状态时,需要接通传感器电源和启动AD转换,电流消耗主要是应变电桥电流,在390 Ω情况下,理论上采集电流Ia=6 262 μA。实验测得传感器的启动时间为300 μs,10次数据采集的持续时间约为100 μs,因此传感器的一次数据采集时间Ta约为400 μs。数据采集完毕后传感器电源可立即关闭,结束采集状态。
当传感器处于发送状态时,需要通过程序激活nRF24L01进入发送状态,并且数据发送完以后,nRF24L01会自动激发接收状态来接收应答。在发送功率最大的条件下,发送和应答的平均电流IT约为11 300 μA,发送32 B数据的时间TT约为650 μs。
当传感器处于空闲状态时,MSP430F149处于睡眠状态,nRF24L01处于掉电状态,传感放大电路处于关断状态,这时消耗的空闲电流Is约为2.5 μA。
由于nRF24L01一次最多可发送32 B数据,而AD转换器是12位的,在每个数据占2 B的条件下,一次数据发送需要16个采集周期,这即为传感器的工作周期T。假设传感器的数据采集率为1/T0(T0大于400 μs),则T0就是一次数据采集的时间,称为数据采集周期。一个数据采集周期中的空闲时间为T0-Ta,而T=16T0,这样在一个工作周期中,整个传感器的平均电流消耗i为
根据式(2)可计算出在最大数据采集率为2 500/s的情况下,i=7.54 mA;在数据采集率为1 000/s的情况下,平均电流消耗为i=2.99 mA;在数据采集率为10/s的情况下,平均电流消耗为i=32 μA。
表1为本文设计的无线应变传感器与其它无线传感器的功耗比较。可见该无线应变传感器具有较好的低功耗性能。
4.3 实际能耗测试
按照本文的设计方案制作了15台无线应变传感器样品。接入电桥电阻为390 Ω的BK-3型拉力传感器,在数据采集率为100/s的情况下进行实际测试。测试中在电源回路中串接一个20 Ω电阻,通过测试该电阻的电压信号来获取电流信号。测试得该无线应变传感器采集状态的持续时间为400 μs,电阻上的压降约为120 mV,计算其平均电流约为 6 mA,与理论分析基本一致;在数据采集完成后启动nRF24L01需1.5 ms,启动期间的平均电流约为1.2 mA,发送持续时间约为500 μs,实际平均电流约为9.5 mA,比理论值略小。
另外,测试表明在1 000/s数据采集率下,该无线应变传感器使用容量为210 mA·h的3 V锂电池时,电池寿命可达70 h以上。
5结语
基于MSP430F149和nRF24L01设计的无线应变传感器采用纽扣电池供电,具有体积小、成本低、连续工作时间长、工作电压低等特点。对该传感器主要器件和整个数据采集发射系统的能耗进行分析后得出,该传感器比现有无线应变传感器的能耗低。实际测试验证了理论分析的正确性。
摘要：提出了一种以MSP430F149为主控芯片、nRF24L01为无线传输芯片、AD627为前置放大器的低功耗无线应变传感器的设计方案,给出了该传感器的总体结构,详细介绍了该传感器数据采集发射子系统的软硬件设计方法,并对该传感器进行了能耗分析和测试,得出了该传感器的能耗公式。经理论计算,该无线应变传感器的平均电流消耗为32μA,比现有无线应变传感器的能耗低;测试结果与理论分析结果基本一致,且电池使用寿命可达70h以上。