应变式传感器

2024-10-15

应变式传感器（精选9篇）

应变式传感器篇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

应变式传感器篇2

项目题目：测量桥梁应力传感

器

指导教师：

仪表三班：

学

号：一．摘要：

目前，多数桥梁都属于柱形桥，随着时间的推移，桥身桥体会逐渐出现承载过重导致应力不集中甚至出现裂纹等破损，为了保证人民的人身财产安全，就要对桥身桥体进行实时监控，采取及时的补救措施。在现在大多数的监测方案中，几乎都需要传感器技术，本文对传感器在测量桥梁应力的应用做了详细的描述。

传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。

测量桥梁应力的基本思路是将传感器粘附于桥身柱体部分，通过测量桥在空载和承载时传感器的数值变化，通过数值的转换与计算，得出桥梁承受的应力。因此，此次测量所需传感器属于压力传感器。二.电阻应变片的选择 1电阻应变片类型的选择

电阻应变计简称应变计（亦称为电阻应变片或简称应变片）。它由四个部分组成。

第一是电阻丝（敏感栅），它是应变计的转换元件。第二是基底和面胶（或覆盖层）。基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。

第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。第四是引出线，它作为联结测量导线之用。电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。由于电阻丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。故选用金属箔式应变片。箔式应变片的主要优点：

(1)本身性能稳定，受温度变化的影响小；

(2)使用温度范围比较宽，在-269—+350 度范围内稳定工作；

(3)适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便；

(4)价格便宜。

引线引线覆盖覆盖层层基片基片l电阻丝式敏感栅电阻丝式敏感栅b 金属电阻应变片的结构

丝式金属应变片的敏感栅由直径0.01~0.05mm的电阻丝平行排列而成。

箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.003～0.01mm。其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。

薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。

(a)箔式应变片

(b)电阻丝式应变片

(c)丝式应变片

几种常用应变片的基本形式

2.应变计敏感栅的材料

(1)材料的选用原则

应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求： a有较高的灵敏系数； b电阻率高；

c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；

d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强；

e与其它金属接触的热电势小； f与引出线焊接容易。三．测量电路原理分析及设计

1.温度补偿原理

电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。1)线路补偿法

电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。电桥输出电压U0与桥臂参数的关系为：

U0=A（R1 R4-RB R3）

式中：A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数；

当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。2）应变片的自补偿法

这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿的，称之为温度自补偿应变片。

由温度自补偿应变片的工作原理，要实现要实现温度自补偿，必须有

RtR0t[0(gs)]tK0K0

α0=-K0（βg-βs）

上式表明，当被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数α0、灵敏系数K0和线膨胀系数βs，使上式成立，则不论温度如何变化，均有ΔRt/ R0=0，从而达到温度自补偿的目的。

四．测量电路原理分析及设计 1.电桥电路原理

应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化ΔR/R,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。

电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压V0为零的条件是：R1R3=R2R4。

图2 当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出：

U0R1R3R2R4(R1R2)(R3R4)U

单臂电桥时，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4为定值电阻，在应变片R1工作时，其电阻R1变化△R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/4 电压输出为:

UO=(U/4)(△R1/R1)2.非线性误差

为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：①采用差动电桥；②采用恒流源电桥。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为：

UO=U△R/R 所以，本设计所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。3.转换电路和信号放大电路

来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB。

结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。具体的电路如图所示

本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路，三就是增益放大电路，这里面还包括共模抑制电路。

4.电桥转换电路

电阻应变片的电阻R1,R2,R3,R4的电阻都为350欧。由这四个电阻组成一个全桥放大电路。

5.放大电路和共模补偿电路

它由三个集成运算放大器组成，其中N1，N2为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1，N2的共模信号，并适应接地负载的需要。

由输入级电路可写出流过R6，R7和R14都电流IR为

IR=(U02-Ui2)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14

由此求得 U01 =（1＋R6/ R14）Ui1－R6 Ui2/ R14 U02 =（1＋R7/ R14）Ui2－R7Ui1/ R14

于是，输入级的输入电压，即运算放大器N2与N1输出之差为

U02－U01 =[1＋（R6＋R7）/ R14]（Ui2-Ui1）

其差模增益Kd为 Kd＝（U02－U01）/（Ui2-Ui1）＝1＋（R6＋R7）/ R14

它的原理是由运放U1，U2组成第一级差分式电路，U3组成第二级差分式电路。在第一级电路中，V1，V2分别加到U1和U2的同相端，R6,R7和R14组成的反馈网络，引入了深度的电压串联负反馈，两运放U1，U2的两输入端形成虚短和虚断,按照上面的分析，可以计算出：差模增益Kd为

Kd1R6R7 R14R12 R10R12RR7(16)R10R14运算放大器U3的差模增益：Kd3电路的放大增益为：AKdKd3所以设计的放大电路的放大倍数为：ARR7R12(16)，试验中，这个实验可以调节R14,R15R10R14同时改变，达到调节增益的目的。而且放大增益很大，有很宽的调节范围。

6.电路调零调幅电路

如图所示，通过调节R5可以调节电桥的供电电压，并且可以在任何时候把电路调零，所以该电路称为调零调幅电路。电路图如下：

此电路灵敏度很大。五.总结与心得

新型应变计在力传感器中的应用篇3

摘要：目前四十四所传感器生产使用某电测公司X系列的应变计，该应变计价格较贵，随着传感器的需求量日渐增加，形成了较高的生产成本。为此联系试用某公司生产的胺类聚合物薄膜Y系列应变计，经试验验证，基本证实新应变计在首批试件产品的生产中，均能够达到传感器各项技术指标的要求，达到了保证产品质量的前提下，降低成产成本的目的。

关键词：新型应变计；传感器；应用

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0043-03

1 概述

随着四十四所传感器延伸产品，特别是计重衡器新产品的开发及应用领域的不断扩大，应变式力传感器的需求量日渐增加。

目前传感器的生产过程通行使用某电测公司X系列的应变计，该应变计价格较贵，形成了较高的生产成本。

为此生产车间的工艺人员一直关注应变计行业的新技术动向，一年来通过在行业中的了解，与上海某电测技术有限公司接洽，联系试用其生产的胺类聚合物薄膜Y系列应变计，以达成在保证产品质量的前提下，使用价格便宜的应变计，降低生产成本的目的。

2 新型应变计情况

该系列Y应变计以特殊胺类聚合物薄膜形成基底，通过特殊热层压技术与金属敏感材料粘接。

优点：基底厚度均匀，剥离强度与弹性模量高，防潮效果好、耐化学腐蚀性好、具有较高的耐热性，价格比现行使用的X系列应变计价格便宜近一半。制造商已将其产品打入国内产量最大公司的部分原有客户，在进行了约一年的使用后，经了解其质量表现优异。

3 试验验证

负责实施此项目的工艺人员对传感器应变计测试系统特性及构成器件原理的分析，针对新应变计特点，设计了以下实验验证方案：

第一步，选择性能良好，结构优越，生产制造质量稳定多年的典型的传感器弹性体作为验证的基准模型，并按贴片区域特征细分为柱式、桥式（平面贴片）和轮辐（曲面贴片）两种模式，分别交叉选用Y系列应变计中不同型号的样片进行贴片。过程中注意对其操作性与原有应变计进行比较，确认其操作可行性、简易性和可靠性。

第二步，正常贴片完成，按常规老化程序老化，尽快使其电气特征值稳定可测量后，安排对试验件的装调过程进行工艺跟踪试验，分时漂、温飘、绝缘、力学性能（满输出、灵敏度、非线性、滞后、重复性）、特征值的稳定性等项目进行，观察记录了各项技术指标。

通过共计三个月时间对传感器特性指标不断测试和分析对比，基本证实新应变计在首批试件产品的生产中，均能够达到传感器各项技术指标的要求，为批量化生产提供了可靠的依据和保证。

3.1 小批量试件试验

①2014年11月选用两组不同型号的应变片、在某型号方梁柱式传感器两套（0.1级，结构成熟），进行正常贴片（8片），其中试件1587#贴有应变片型号为Y（AA）的应变片，在试件2612#贴有应变片型号为Y（BB）另一种应变片。

该两试件正常接桥后未进行任何补偿、未保护，室温常态放置，从2014年5月8日起，进行时、温飘测试，性能测试，经过测试100%满足传感器的技术指标要求；结果见表1。

长期性能测试，见表2和表3。

②2014年5月15日选用型号为Y（BB）的应变片、在型号传感器两套（0.05级，结构成熟），进行正常贴片（8片），按照正常装配工序操作进行时、温飘测试，跟踪观察各种状态下性能测试。结果见表4。

稳定性测试见表5和表6。

③2014年5月选用型号为Y（HA）的应变片、某型号传感器13套（0.05级，结构成熟），进行正常贴片（8片），按照正常装配工序操作进行时、温飘测试，跟踪观察各种状态下性能测试。结果如下：

接桥后时、温飘测试、性能测试（共13组，选择5组，见表7。

状态适应性性能测试（共13组，选择5组，）见表8。

3.2 批量对比试验

结合生产实际情况，选用材质相同、外形结构相同的同一批机加弹性体作为样件，分别选用X系列和Y系列应变计，采用相同的操作方法，进行贴片、装配生产的全过程的稳定性跟踪，对数据分析对比，共300组，分别选择2组，见表9和表10。

3.3 试验结论

①室温下测试，零点漂移达可到传感器0.03级的技术指标要求。

②温度性能测试，热零点偏移试验偏移值小、回零值小，达到传感器测试技术指标要求。

③稳定性和状态适应性测试，满量程偏差小、各项性能指标达到传感器设计要求（按弹性体设计指标不同）。

④传感器的绝缘电阻达到8 000 MΩ以上，满足0.03级（> 5 000 MΩ）绝缘电阻的指标要求。

⑤贴片操作性：通过与生产人员沟通，确认其操作性良好，与原有器件区别不大，可大批应用而不会造成其它不良影响。

通过以上对比试验，经过跟踪观察、检测和分析，证明该新型应变计在首批中试试件产品的生产中使用，产品质量合格率达到100%，为批量化生产提供了可靠的技术保证。

4 结语

通过试验验证，选用的新型应变片能达到传感器设计的各项性能指标要求，传感器中试产品应用中已达到了预期的效果，能适用于目前生产的各类传感器产品。

4.1 降低成本

对新旧型应变片进行材料成本对比，结果，见表11。

据结果分析可知，使用相同数量的Y系列应变片材料成本节约近40%～50%，从而很大的降低了传感器的生产材料成本。

4.2 性能指标达到要求

选用该种新型应变片（Y系列）可替代原使用的应变片（X系列），贴片过程操作性正常，各项性能指标满足设计要求，能确保稳定可靠产品的质量，可进行下一步生产应用。

参考文献：

[1] 尹福炎，王成林.应变胶粘剂对应变计和传感器性能的影响[J].衡器， 2004，（2）.

[2] 王嘉力，姜力，刘宏.一种用于微型六维力传感器的集成式应变计设计 [J].机器人，2007，（4）.

[3] 寇雪梅，林海霞，吕晓华.热处理工艺对电阻应变计传感器弹性体不锈钢滞后性的影响[J].铸造技术，2014，（3）.

应变式传感器篇4

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

$\begin{array}{l} \frac{d R}{R} = Κ ε \\ \frac{d L}{L} = ε \end{array}} (1)$

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:

$d L = \frac{(y_{a 1} - y_{b 1}) + (y_{a 2} - y_{b 2}) + \dots + (y_{a 21} - y_{b 21})}{21} (2)$

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

$[\begin{matrix} ε_{X} \\ ε_{Y} \\ ε_{Ζ} \end{matrix}] = [\begin{matrix} C_{X} & 0 & 0 \\ 0 & C_{Y} & 0 \\ 0 & 0 & C_{Ζ} \end{matrix}] [\begin{matrix} F_{X} \\ F_{Y} \\ F_{Ζ} \end{matrix}] (3)$

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

$[\begin{matrix} ε_{X} \\ ε_{Y} \\ ε_{Ζ} \end{matrix}] = [\begin{matrix} C_{X X} & C_{X Y} & C_{X Ζ} \\ C_{Y X} & C_{Y Y} & C_{Y Ζ} \\ C_{Ζ X} & C_{Ζ Y} & C_{Ζ Ζ} \end{matrix}] [\begin{matrix} F_{X} \\ F_{Y} \\ F_{Ζ} \end{matrix}] (4)$

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:

$C = [\begin{matrix} 443.094 & - 75.759 & 13.037 \\ 131.597 & - 251.359 & 33.642 \\ 11.178 & - 26.503 & 427.835 \end{matrix}] (5)$

这样式(4)即为

$[\begin{matrix} ε_{X} \\ ε_{Y} \\ ε_{Ζ} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 443.094 & - 75.759 & 13.037 \\ 131.597 & - 251.359 & 33.642 \\ 11.178 & - 26.503 & 427.835 \end{matrix}] [\begin{matrix} F_{X} \\ F_{Y} \\ F_{Ζ} \end{matrix}] (6)$

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

$[\begin{matrix} F_{X} \\ F_{Y} \\ F_{Ζ} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0.002479 & - 0.000745 & - 0.000017 \\ 0.001300 & - 0.004402 & 0.000307 \\ 0.000016 & - 0.000253 & 0.002357 \end{matrix}] [\begin{matrix} ε_{X} \\ ε_{Y} \\ ε_{Ζ} \end{matrix}] (7)$

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。

应变式传感器篇5

1 传感器实验装置[3]的设计

设计目的:在材料力学教学实验中,实验装置能通过应变测出力的大小.设计思路:设计结构加工图→受力分析→布片原则→桥路设计→可行性分析→实验研究.

1.1 查阅资料

指导学生查阅有关教材和参考资料,一方面,了解传感器的学术前沿和在工程上的应用,以激发学生的研究兴趣;另一方面,详细了解传感器的结构与原理,将学生不够全面的感性认识上升到理论高度.然后应用材料力学等方面的科学理论和方法去探索出能测出力的大小的一个压力传感器装置.

1.2 传感器结构图的设计

用铝合金板材作为传感器的研究材料,加工成如图1所示的构件.构件上粘贴应变片的部位为弹性敏感部位,所以,为了增加它的弹性,粘贴应变片部位的尺寸加工成比两端小而且比两端稍薄,否则变形不敏感,尺寸如图1所示.图1中的4-M3中的螺丝孔用于制作完成后装配外壳用.

传感器结构图分析:电阻应变式压力传感器是以应变敏感部位为中介,通过力作用在粘贴于应变敏感部位两边的电阻应变片使它的阻值发生变化,再经过相应的电路转换为电的信号,从而实现后面的控制.由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择,而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合.因此采用图1的结构形式,学生可根据自己的爱好灵活设计弹性体:去探索、去发现、去构建知识的意义、去解决问题.

1.3 传感器的桥路设计

在图1构件上的前后两对称平面的弹性敏感部位的纵向和横向各对称粘贴上4个电阻应变片,其中R1和R2在正面,R3和R4在反面,R1和R3纵向对称布片,R2和R4横向对称布片,如图2所示.并将4个电阻应变片采用全桥连接,电桥接线如图3所示.当构件受图2所示的压力时,构件产生形变,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的电阻值发生改变,从而使加在4个电阻连接成的测量电桥上的电压UBD发生变化,它们的关系式为

式中,U为电压;K为电阻应变片的灵敏系数;ε1,ε2,ε3,ε4为4个电阻各自产生的应变,这些应变和UBD成线性.应变片在受力时产生(ε1-ε2+ε3-ε4)的阻值变化通常较小,这时由应变片以全桥的桥路方式连接到电阻应变仪上,由应变仪表放大器进行放大,利用电阻应变片作为传感元件,将构件的应变量转换成应变片的电阻变化量[4],从而达到测力的目的.

2 构件受力分析与电桥连接的可行性分析

如图2所示,如果构件载荷稍有偏心,这时构件会稍有弯曲,测试中,除拉伸或压缩应变外,还有附加弯曲应变,压力传感器不允许有弯曲的影响,因此,为了排除弯曲的影响,电阻应变片布片原则是:在R1,R2和R3,R4所在的前后两平面上按纵向和横向对称粘贴,R1和R3为轴向(纵向),R2和R4为横向,如图2所示,并采用图3所示的全桥连接,这时,每个应变片既是测量片,又是补偿片.

假设试件有附加弯曲变形,设贴应变片R1和R2的平面(正面)是拉伸边,贴R3和R4的平面(反面)是压缩边,两边的应变电阻值均相等,4个应变片在同一环境下测量时,当测量电桥的应变片随构件变形时,4个应变片产生的应变分别如下

式中,εN为实际应变,εW为弯曲应变,εt为温度应变,εds为测量应变,μ为泊松系数.因测量电桥的4个桥臂上的应变片都为测量片,每片都产生应变,又有

由式(1)～式(5)得

由式(6)可知,这样的布片和电桥连接,它们的温度影响自动抵消,而且还排除了弯曲的影响,并且又使电桥输入的灵敏度提高了2(1+μ)倍.

3 实验结果

构件为稳定平衡时,测得弹性模量为70.35 GPa,泊松系数为0.31.

在表1中,由加载输出和卸载输出的数据可知构件为稳定平衡,而且表中数据也完全符合轴向拉伸和压缩的结论,试件没有附加弯曲变形.相对误差远小于10%,达到了理论和实践相互验证的教学目的.测量结果表明:本实验装置可通过应变测出力的大小,可应用于材料力学实验教学中的简支梁、纯弯曲梁和薄壁圆筒等理想化模型的加载系统中.

4 传感器装置设计的实验特色

(1)增加教学信息量,优化了原有的实验教学结构,对学生的实验效果就不再像基础性实验那样仅仅停留在对理论知识的验证、理解和记忆上,而对培养学生的工程素质、创新素质、全面掌握“电阻应变测量技术”具有重要的意义.

(2)只要更改传感器弹性敏感元件的尺寸或材料就会有不同的研究结果,这样容易将学生的组数细分甚至到个人,因而可大大提高教学质量,从而实现知识向能力转化,是改善教学效果的有效教学模式,符合“创新创业教育呼唤实践教学与体验式课程[5]”的指导思想.

参考文献

[1]方陆鹏.连续多跨梁结构模型在力学实验教学中的开发应用.力学与实践,2002,24(3):60-62

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[3]谢灵,朱艳峰.二层刚架动静态综合性实验设计研究.力学与实践,2006,28(6):83-85

[4]刘鸿文,吕荣坤.材料力学实验(第3版).北京:高等教育出版社,2006

应变式传感器篇6

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

[1]中华人民共和国轻工业部.QB/T1347—1991下料机[S].中国轻工业出版社, 1992

[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

应变式传感器篇7

自1987年以来, 我国华东地区的徐州、大屯、淮北、兖州、永夏等矿区先后有多个井筒发生井壁破裂事故 (井筒破坏段一般在表土与基岩交界附近) , 严重影响了煤矿的安全和正常生产[1], 因此, 实时监测井筒的运行状态, 发现问题并及时处理, 对保障煤矿安全具有重要意义。

煤矿井筒一般是钢筋砼结构, 其应变是在各种荷载作用下的效应量, 可以较全面地反映井筒的载荷情况、结构性能及安全状况。井筒应变测量需要将应变传感器长时间埋入井壁砼内, 当出现问题后, 不宜取出更换或维修, 而且井筒的环境十分恶劣, 干扰信号较多, 测量数据易不稳定。为此, 笔者设计了一种振弦式应变传感器, 以实现井筒状态的实时监测功能。

1 振弦式应变传感器工作原理

振弦式应变传感器是利用弦振频率与弦拉力的变化关系来测量应变传感器所在点的应变[2], 工作原理如图1所示。在电磁激励的作用下, 钢弦按其固有频率振动。实际上, 应变传感器在制作出厂后, 其钢弦具有一定的初始拉力F0, 因而具有初始频率f0。当应变传感器被埋入混凝土中后, 应变筒随混凝土变形而变形, 筒中钢弦的拉力随变形而变化。此时, 可以得到不同的振动频率f, 进而可以测出应变筒的应变大小。

现假定应变传感器两端承受压力, 则钢弦的张力减少。此时钢弦的自振频率也减少, 设钢弦的张力为F, 自振频率为f, 张力与自振频率关系可用式 (1) 表示:

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式中:K为与钢弦的长度、单位长度质量有关的常数。

显然:

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应变传感器的应变筒与其中钢弦变形协调, 应变增 (减) 量相同。设应变筒的应变增量为εh, 钢弦的应变增量为εg, 则有:

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式中:EA为钢弦的轴向刚度, 则:

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f0是已知的, 所以只要求出f, 就可以求出钢弦的形变, 进而也就求出了砼或者其它待测工程的应变量。

2 智能型振弦式应变传感器的设计

智能型振弦式应变传感器通过自身发出激发脉冲, 激发起埋入井筒侧壁砼中应变传感器的钢弦, 使之产生自激振荡, 该振荡信号通过信号调理电路 (包括放大、整形、滤波等环节) 处理后, 成为稳定的频率信号, 单片机通过对该频率信号的检测和运算后得到相应的井筒应变值, 并将这些数据实时显示到液晶显示器上, 同时将这些数据传输到上位监控计算机, 最终实现井筒状态的实时监测。

2.1 硬件设计

智能型振弦式应变传感器选用高性能的基康VCE-4200系列应变传感器, 采用低功耗、小体积、大容量、高集成度的8位单片机P89LPC932[3]作为CPU, 用以采集、处理和运算数据;可远程供电的M-BUS通信接口完成振弦式应变传感器与通信分站、上位计算机或者设置器间的数据通信;采用高性能、低功耗的光耦芯片6N139隔离干扰信号;24位高精度模数转换芯片AD7714用于采集热敏电阻的数据;恒流源芯片LM334为振弦式应变传感器提供准确、稳定的1 mA电流;笔者自行研制的激发、放大、整形电路可以对该应变传感器进行有效的激发, 同时完成对振荡频率的可靠放大与整形;液晶显示器实时显示测量数据。图2为智能型振弦式应变传感器电气原理图。

2.2 软件设计

智能型振弦式应变传感器软件程序流程如图3所示。首先单片机产生激发脉冲, 频率范围为400～5 000 Hz。激发脉冲使钢弦产生了微小自由振动, 该振动在感应磁头线圈里产生出电动势, 但该电动势非常微小, 单片机无法检测。因此, 经过放大、整形电路, 将微小电动势变成规整的脉冲信号, 再由单片机测量脉冲信号的频率, 并计算出应变量。然后, 启动AD7714, 将内置于应变传感器中的热敏电阻两端的电压值进行A/D转换, 进而得到温度值, 并对测量的应变值进行温度补偿, 得到最终的井筒应变值。还可实时显示井筒应变值及环境温度, 同时将这些数据通过M-BUS通信接口发送到通信分站[4], 如数据出现异常, 则立即报警。当需要读取所测数据或者需要对应变传感器进行地址或者其它参数设置时, 应变传感器可以通过自身的通信接口与通信分站或者设置器通信。

3 结语

综上所述, 智能型振弦式应变传感器主要有以下优点: (1) 采用自主研发的激发、放大、整形电路, 与配套应变传感器的国外产品相比, 具有低功耗、低成本、易实现而且效果良好等特点。 (2) 采用温度补偿算法对不同温度下的频率进行校正, 提高了测量数据的准确性。

该智能型振弦式应变传感器目前已成功用于多个煤矿的井筒井壁监测, 实践证明, 该应变传感器具有功能稳定、测量准确、适用性强、使用寿命长等优点, 值得推广使用。

参考文献

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[4]韩慧, 倪荣军.矿井风压自动监测报警系统的设计与应用[J].仪表技术与传感器, 2006 (1) :90-91.

低功耗无线应变传感器的设计篇8

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

$i = \frac{Τ_{Τ}}{16 Τ_{0}} Ι_{Τ} + \frac{Τ_{a}}{Τ_{0}} Ι_{a} + \frac{Τ_{0} - Τ_{a}}{Τ_{0}} Ι_{s} (2)$

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。

应变式传感器篇9

1 方案总体构想

1.1 研究背景及意义

当前每一种新型飞机都必须进行结构强度测试, 其应变测试数量少则几十, 多则上百。一个应变片的完整测量通道由四芯信号线构成 (2根电源激励和2个输出) , 当应变数目较多时所形成的测试线路将对飞机改装带来诸多难度。大型飞机由于结构和空间宽敞, 测试设备和线路铺设较为容易。但是小型飞机受限于机体空间的制约, 线路铺设非常困难, 该情况无形之中加大了飞机改装技术难度, 而且对试飞科目的安排造成较大影响。而基于无线传感器网络的应变采集方法从原理上可以解决传统方案中的诸多改装难题, 其具有以下优点:

(1) 首先可以减少机载测试系统的引线数量和重量, 减小飞机的改装技术难度;

(2) 其次无线传感器可方便固定在被测区域, 受机体空间制约小;

(3) 由于单独节点具备区域信号处理功能, 所以应变信号可在被测区域完成激励、采样及数字传输等功能。

1.2 系统概述

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术, 它是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点组成, 通过无线通信方式形成的一个的自组织的网络系统[1][2]。

无线传感器的结点分布于网络的各个部分, 用于收集数据并将数据路由至信息收集结点, 信息收集结点与信息处理结点通过广域网络进行通信, 从而对收集到的数据进行处理[3]。其结构如图1所示。

基于无线传感器网络的应变采集子节点, 其主要功能可对应变片提供激励源、输出模拟信号的调理以及采样和数据的无线传输。

2.3系统功能结构及组成部分

子节点应同时具备激励源、信号调理及后续数字采样和无线发射功能。图2为一个单独的无线传感器子节点的功能示意图。

图2为单独无线应变采集子节点的功能示意图。首先将28V机上电源经转换为±5V的恒流源, 给应变片提供稳定的激励源, 输出的模拟信号经I/O控制的数字交叉开关进入信号调制电路, 其中包括增益调节、滤波及偏置调节, 最终将调制的标准信号送至单片机的ADC采样, 经串口输出至射频芯片发射出去, 实现无线传输。

2 关键性技术环节及解决办法

2.1 多节点之间的时间同步性问题

在机载测试系统当中, 所有设备均需保持时间同步且需要有较高的精度。时间同步技术是无线传感器网络的基本环节之一, 设计高精度的时间同步机制是设计和应用的技术难题。针对无线传感器网络的时间同步问题, 一般有两种方法, 即NTP和GPS两种方案。目前广泛应用于时间同步的主要方法有GPS时间和NTP。NTP是Internet上进行的时钟同步协议, 且该协议是针对静态网络, 而无线传感器网络却是一种动态网络结构。NTP的精度只能达到毫秒级, 这与机载测试系统的实践精度相差甚远, 该方法不适合机载应用的时间同步标准。GPS时间精度高, 适合多节点对同步性的要求。

iTrax02是一个GPS接收模块, 是目前世界上体积最小 (26mm×26mm×4.7mm) , 功耗最低的GPS OEM板。其采用芯片式嵌入设计, 可直接安装在P C B板上, 从休眠到导航定位仅为8秒。

该模块具有以下优异性能:时间精度:20ns;敏感度:-150dBm;温度范围:-40℃~+85℃;1PPS输出标准。

在时间同步性问题上, 采用GPS接收模块统一给无线节点中的单片机授时。该方法可实现多个节点之间的时间同步, 其GPS接收模块和单片机的电路如图3所示, 图4为iTrax 02接收模块。

2.2 网络协议

2.2.1 通信协议

针对无线传感器网络的推广应用, 普遍将IEEE 802.15.4作为通信协议标准。利用该标准将节点强制性分为全功能设备 (FFD) 和精简功能设备 (RFD) 。FFD设备之间以及FFD设备和RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信, 只能与FFD设备通信或通过FFD设备向外转发数据。其网络协议示意如图5所示。

对此, 在每个节点硬件上选择支持IEEE 802.15.4的射频芯片CC2420。该芯片式Chipcon公司推出的首款符合IEEE802.15.4标准工作于免授权的2.4 GHZ频段的射频收发器, 性能稳定且功耗极低, 且CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEE802.15.4标准的要求, 可确保短距离通信的有效性和可靠性, 利用此芯片开发的通信设备支持数据传输率高达250kbps。

2.2.2 节点身份设计

在上述的应用示意图中, 发送至父节点 (FFD) 必须有明确的数据来源, 即每个节点必须有个独立的身份标志。目前比较流行的方案是用单片机的I/O来控制身份芯片DS2401。

2.3 节点间时间延迟性

图6体现了发射节点到接收节点之间不同部分的时间延时顺序。正确估算同步数据的延时对提高同步精度有重要意义, 所以对同步性时间算法提出了重要要求。

发送时间:发送节点构造一条消息和向节点发布请求所需时间, 完成之后打上时间戳。

访问时间:从等待信道空闲至数据开始发送时延迟, 该部分是信息传递最不确定部分。与网络负载状态有关。例如:发送数据产生冲突则需要重新传输。

传输时间:发送节点在物理层按位发射消息所需的时间, 其消息比较好确定。取决于包的大小和发射速率。

传播时间:数据在发送节点和接收节点的传输介质的传播时间, 取绝于两点间距离。其延时可以忽略。

接收时间:接收节点按位接收信息并传递至物理层的时间。

接收处理时间:接收节点重新处理数据并传递给上层所需的时间。

3 结束语

无线传感器网络的应用研究是一个多学科且高度交叉的前沿热点领域, 具有十分广阔的应用前景。本文对无线传感器网络实现应变采集的方案进行了研究, 并就最为关键的时间同步性问题和其他重要环节进行了探讨及提出方案, 认为该系统方案具有很大的可行性。