新型传感器

新型传感器（共9篇）

新型传感器 篇1

0 引言

机器运行过程中存在的摩擦对机器的运动有显著影响。有研究表明, 大约20%的能量消耗在克服机械手的关节摩擦阻力上[1]。机械中的摩擦问题已经引起工程界的广泛关注, 其中, 摩擦测试分析与控制补偿技术是机械摩擦研究的重要内容。摩擦因数是摩擦分析与控制研究中的基本参量, 因此摩擦因数的检测研究具有重要的理论与实际意义。摩擦因数是一导出量, 需要同时测出正压力和摩擦力。摩擦因数的测量一般需要特制的仪器与装置, 目前常用的摩擦检测仪器有悬臂梁式摩擦测量机构[2]、球盘式摩擦测试仪[3]、万能式测量装置[4]、探针组合式力传感器[5]等。

近年来的研究表明:摩擦因数与构件间的相对运动速度有关, 其非线性特性主要存在于构件间相对运动速度为零的区域附近[6], 因而速度反向区的摩擦现象是目前研究的热点问题。传统的摩擦传感器组合构件间存在摩擦和反向间隙, 这既影响了摩擦因数测量的精度, 也无法实现速度反向区域摩擦因数的连续检测。

笔者将柔性铰链和弹性悬臂梁进行组合, 设计出一种新型的摩擦传感器, 该传感器利用柔性铰链结构消除了传统摩擦传感器组合构件间的摩擦和反向间隙。

1 新型摩擦传感器结构

柔性铰链是一种特殊的传动结构, 其中部较为薄弱, 在力矩作用下可产生较为明显的弹性角变形, 能在机械结构中起到铰链的作用。它与一般铰链的区别是没有机械结构上的间隙, 并且具有弹性回复力, 因而消除了运动中的摩擦与反向空程。

传统的摩擦传感器由于构件间存在摩擦和反向间隙, 因而无法进行速度反向区摩擦因数的检测。为克服传统摩擦传感器的不足, 考虑柔性铰链具有可消除传动中摩擦与反向空程的优点, 笔者将柔性铰链与等截面弹性悬臂梁进行组合, 设计出一种由两个等截面弹性悬臂梁和两个柔性铰链组成的新型传感器结构, 如图1所示。图1中, 探测杆的作用是将力传递给弹性元件, 其顶部为外力作用点;AG、BH为矩形截面悬臂梁, 分别用来检测外部作用的正压力N和摩擦力F;C、D为柔性铰链, 其中心截面分别为C-C、D-D。

与传统的摩擦传感器相比, 新型摩擦传感器应用柔性铰链 (本研究中选用直圆柔性铰链[7,8,9]) 将各部件连接起来, 组成一体式结构, 从而消除了传统传感器检测过程中各部件间存在的反向空程和摩擦。因此该传感器可应用于速度反向区摩擦因数的检测。

2 摩擦传感器设计

该传感器设计的主要任务是:在保证传感器结构强度的条件下, 消除不同方向作用力之间的互干扰, 实现摩擦力与正压力的精确检测。因此, 设计时首先需确定传感器的最大工作载荷, 选定传感器所用材料, 并根据实际的工况确定传感器的整体尺寸。

2.1 受力分析与解耦表达式

该传感器为复杂的弹性结构体, 正压力和摩擦力之间的互干扰会严重影响检测的精度, 因此必须对传感器的结构进行优化设计, 消除弹性元件上检测点处摩擦力与正压力的耦合与互干扰。

柔性铰链为弹性约束, 其约束数目与固定端相同, 所以本传感器为三次超静定结构。摩擦传感器结构尺寸见图1, 设传感器材料的弹性模量为E, 各部件等宽度, 记为b, 两悬臂梁的厚度分别为t6和t7, 其截面惯性矩分别记为I6和I7。F和N为传感器的工作载荷。

记柔性铰链C、D的柔度系数分别为fC和fD, fC、fD分别为材料的弹性模量E、柔性铰链切割半径 (rC、rD) 、宽度b和最小厚度 (tC、tD) 的函数[7,8,9]。

对传感器结构进行受力分析, 解除B处约束则可得原结构的基本体系 (图2) , 其中基本未知力 (力矩) 为FBx、FBy、MB。则可绘出未知力 (力矩) 的单位力弯矩图和载荷弯矩图, 如图3所示。

(c) MB单位弯矩图 (d) 载荷弯矩图

由于柔性铰链的尺寸与其所在结构的尺寸相比很小, 故在计算位移时只考虑两弹性悬臂梁的变形和两柔性铰链的角变形, 忽略结构中其他部件的变形。由结构力学理论可知:FBx单位力引起的水平位移δ11、载荷F和N引起的水平位移δ1p分别为

$\begin{array}{l}\delta {}_{11}=\frac{1}{E{\rm I}{}_6}{\displaystyle {\int }_0^{h{}_6}x}{}^2\text{d}x+\frac{1}{E{\rm I}{}_7}{\displaystyle {\int }_0^{h{}_7}(}h{}_1+h{}_2+h{}_6){}^2\text{d}x+\\ h{}_6^{2}f{}_D+(h{}_6+h{}_2){}^{2}f{}_C=\frac{h{}_6^3}{3E{\rm I}{}_6}+\frac{(h{}_1+h{}_2+h{}_6){}^{2}h{}_7}{E{\rm I}{}_7}+\\ h{}_6^{2}f{}_D+(h{}_6+h{}_2){}^{2}f{}_C\\ \delta {}_{1\text{p}}=-F(h{}_6+h{}_2)(h{}_3+h{}_2)f{}_C-\\ \frac{h{}_1+h{}_2+h{}_6}{E{\rm I}{}_7}{\displaystyle {\int }_0^{h{}_7}[}F(h{}_1+h{}_2+h{}_3)+{\rm N}x]\text{d}x=\\ -F[(h{}_6+h{}_2)(h{}_2+h{}_3)f{}_C+h{}_7(h{}_1+h{}_2+h{}_6)\cdot \\ (h{}_1+h{}_2+h{}_3)/(E{\rm I}{}_7)]-{\rm N}h{}_7^2(h{}_1+h{}_2+h{}_6)/(2E{\rm I}{}_7)\end{array}$

同理可得其他基本未知力 (力矩) 的单位力和载荷引起的水平位移、铅垂位移和角位移δ12、δ13、δ22、δ23、δ33、δ2p、δ3p等。

将所得各参数代入力法方程[10]可得B处约束力 (力矩) 表达式:

i=1, 2, …, 7;s=6, 7, C, D;n=C, D

式中, hi、ts、rn为传感器结构尺寸, gm (·) 、nm (·) 、lm (·) 为传感器结构尺寸的函数, m=1, 2, 3。

对基本体系结构进行静力平衡分析可得A处约束力 (力矩) 表达式:

式中, g4 (·) 、n4 (·) 、l4 (·) 为传感器结构尺寸的函数。

同理可得两柔性铰链中心截面处的约束力 (力矩) , 分别记为FCx、FCy、MC和FDx、FDy、MD。

假设两弹性元件的根部为检测点, 由式 (2) 知, 要实现摩擦力与正压力的解耦合, 则必须满足

2.2 解耦结构优化设计

为满足式 (3) 的要求, 设定目标函数为

min (|g4 (hi, ts, rn) |+|n3 (hi, ts, rn) |)

对传感器的结构参数进行优化即可实现传感器结构的解耦设计。但该传感器结构复杂, 结构参数较多, 优化目标函数为高维、高阶的非线性函数, 其中需优化的参数有hi、ts和rn, 共计13个, 因而优化有一定难度。

经分析发现:参数ts和rn对传感器的分辨率和灵敏度有较大的影响, 而参数hi对正压力与摩擦力的耦合有较大的影响, 特别是柔性铰链在结构中的位置对作用力间耦合的影响最大。故在进行解耦优化设计时选h2、h5为优化参数, 给定其余结构参数, 进行含约束条件的优化。此时目标函数转化为

min (|g4 (h2, h5) |+|n3 (h2, h5) |) (4)

约束条件包括边界约束和性能约束, 边界约束为

$\begin{array}{l}0＜h{}_2＜h{}_1+h{}_2\\ 0＜h{}_5＜h{}_4+h{}_5\end{array}\}$

传感器设计时应满足强度要求。传感器结构中各杆件均为拉 (压) 弯组合变形, 进行强度分析时应考虑拉压应力σl、弯曲应力σw和剪应力τ。该结构中截面A-A (A处截面) 、B-B (B处截面) 、C-C和D-D均为危险截面, 应该满足的强度条件为

$\begin{array}{l}\begin{array}{l}\sigma {}_{j\text{m}\text{a}\text{x}}=\sigma {}_{\text{l}\text{m}\text{a}\text{x}}+\sigma {}_{\text{w}\text{m}\text{a}\text{x}}\le [\sigma {}_{\text{s}}]/k\\ \tau {}_{j\text{m}\text{a}\text{x}}\le [\tau ]/k\end{array}\}\\ j=A,B,C,D\end{array}$

式中, [σs]为许用屈服应力;[τ]为许用剪切应力;k为安全系数。

对目标函数式 (4) 进行在边界约束和强度约束下的优化, 即可得到在给定结构参数下的最优解耦结构设计。

2.3 传感器设计流程图

综上所述, 可得该传感器的设计流程, 如图4所示。

3 实例仿真

设给定传感器的最大工作载荷为Nmax=200N, F=±30N, 选用材料为40Cr, 淬火处理 (HRC45～50) 。要求设计的摩擦传感器可实现正压力和摩擦力的解耦合并能满足强度要求。设给定传感器的整体尺寸为50mm×20mm×50mm。

给定部分结构参数如下:b=10mm, h1+h2=23mm, h4+h5=24mm, h3=30mm, h6=18mm, h7=19mm, tC=tD=1mm, rC=rD=2.5mm, t6=1mm, t7=2mm, 需优化参数为h2、h5。将设定的参数代入式 (3) 中可得到简化的解耦表达式, 根据式 (4) 建立目标函数, 应用惩罚函数法[11]进行优化计算, 优化前后的参数对比见表1。

图5示出了优化设计后正压力变化对摩擦力弯矩的影响, 图6示出了优化设计后摩擦力变化对正压力弯矩的影响。

图5、图6表明:进行优化设计后的结构能有效实现正压力和摩擦力的解耦合, 消除了二者的互干扰。

设计完成后应进行强度校核分析, 40Cr钢在淬火处理 (HRC45～50) 条件下, [σs]=0.79GPa, [τ]=0.60GPa。A-A、B-B、C-C、D-D四个截面在最大工作载荷时的受力和强度分析结果如表2所示。

由图5、图6和表2可知, 进行结构优化后的传感器实现了正压力和摩擦力的解耦合, 并能满足强度要求, 该组结构参数可作为传感器设计的可行方案之一。

4 结论

(1) 将两个等截面悬臂梁与两个柔性铰链组合, 设计出一种新型的摩擦传感器结构, 该结构能消除传统摩擦传感器存在反向空程和构件间摩擦的缺点, 可实现速度反向区摩擦因数的检测。

(2) 通过力学理论推导得出摩擦力与正压力的解耦表达式, 对传感器各参数与性能关系进行分析, 通过对传感器进行包含边界约束和强度约束的优化实现了正压力与摩擦力的解耦合。

(3) 设计实例的计算结果表明:本文所提出的摩擦传感器结构是合理的, 设计方法是可行有效的。

参考文献

[1]Craig J.Introduction to Robotics[M].New York:Addison-Wesley Publishing Company, 1986.

[2]施洪生, 王慧, 胡元中.弹性悬臂梁摩擦力测量机构的设计[J].机械科学与技术, 2004, 23 (11) :1327-1330.

[3]刘文广, 刘莹, 李小兵.微摩擦测试仪的研制[J].南昌大学学报 (工科版) , 2004, 26 (1) :5-8.

[4]刘宏民.三维轧制理论及应用——模拟轧制过程中的条元法[M].北京:科学出版社, 1999.

[5]娄臻亮, 吴年盛, 舒世湘, 等.探针式组合压力传感器:中国, 200310109886.5[P].2004-12-22.

[6]Armstrong-Helouvry B, Pierre D, Canudas C.ASurvey of Models, Analysis Tools and CompensationMethods for the Control of Machine with Friction[J].Automatica, 1994, 30 (7) :1083-1138.

[7]Paros M, Weisboro L.Howto Design Flexure Hin-ges[J].Machine Design, 1965, 37 (27) :151-157.

[8]吴鹰飞, 周兆英.柔性铰链的应用[J].中国机械工程, 2002, 13 (18) :1615-1618.

[9]吴鹰飞, 周兆英.柔性铰链的设计计算[J].工程力学, 2002, 19 (6) :136-140.

[10]朱伯钦, 周竞欧, 许哲明.结构力学 (上册) [M].上海:同济大学出版社, 2004.

[11]刘惟信.机械最优化设计[M].北京:清华大学出版社, 1994.

新型传感器 篇2

摘要：MBF200是富士通公司推出的一款先进的固态指纹传感器芯片，它除可自动检测指纹外，还带有多种接口模式。文中介绍了MBF200指纹传感器芯片的主要特性和功能，给出了其在USB总线接口形式下的电路实现方法，同时给出了读取指纹数据的软件控制流程。

关键词：MBF200  指纹传感器  自动检测  接口

1 引言

指纹识别技术是新近发展起来的一项高新技术。指纹识别是利用人体指纹的唯一性与不变性生理特征，将指纹作为人的一种“活的身份证”或一个随身携带的特殊印章来进行身份识别的一种技术。MBF200是富士通公司推出的一款固态指纹传感器芯片，该芯片具有自动指纹检测功能，可支持多种接口模式，设计方便。本文详细介绍了MBF200的特性，给出了其在USB总线接口模式下的.电路实现方法，以及读取所采集数据的软件流程。该设计可用于便携式指纹数据采集系统、智能卡系统、数据库、网络和当地存储的安全进入系统，以及其它安全访问控制系统。

2 MBF200的主要特点

MBF200具有高性能、低功耗和低成本等特点，属于电容性传感器。其电容性传感器阵列由二维金属电极组成，所有金属电极充当一个电容板，接触的手指充当第二个电容板，器件表面的钝化层作为两板的绝缘层。当手指触摸传感器表面时，指纹的高低不平就会在传感器阵列上产生变化的电容，从而引起二维阵列上电压的变化，并形成指纹传感图像。其主要特点有：

●是采用标准COMS技术的电容性固态器件；

●具有500dpi的分辨率；

●传感器面积为1.28cm×1.50cm；

●传感器阵列为256×300点；

●具有自动指纹检测能力；

●内含8位模数转换器；

●可提供三种总线接口形式；

●带有8位微处理器总线接口；

●带有全速USB接口和SPI接口；

●可提供3.3V～5V的工作电压；

●5V工作电压下的功耗小于70mW。

MBF200的内部结构如图1所示。其中256×300点传感阵列用于产生感应电压；功能寄存器用于对芯片进行操作控制；控制电路用于传感器与外部

新型传感器 篇3

采用ARGoS卫星传输系统的Provor CT在三年内可以采集130多次特征数据。这是一种带有综合压载平衡器的浮标，可以在各种海水密度条件下工作。这种浮标是由“法国海洋开发研究所”(IFREMER)与MARTEC集团合作研制的，以满足ARGO国际研究计划的需要。

所谓ARGO计划是指一项监视海洋的研究计划，打算在全世界的海洋里施放3000个这种浮标，完全以ARGO卫星传输网络为基础采集数据。这一计划的主要目的是画出海洋的三维图像，监视海洋的洋流(不同的研究成果表明，密度不同的海水是不能够混合在一起的，所以才会以海洋洋流的形式流动)。ARGO系统是一个通过卫星定位并采集数据的传输系统，主要用以监视和保护环境。

新型传感器可检测纳米微粒 篇4

当谐振腔中产生拉曼激光光束, 它可能会遇到一个环形圈上的粒子, 比如病毒微粒。这条光束会先分成两束, 之后两条激光束会作为彼此的参照, 从而形成一个自参考 (self-referenced) 传感模式。

我们身边时时刻刻存在着约1nm大小的纳米颗粒。尽管它们很微小, 但对人类健康影响巨大。这些微粒既可以帮助医生治疗早期癌症, 同时也会通过病毒、空气污染、尾气排放、化妆品、防晒霜或电子产品等方式侵害人体健康。

由圣路易斯华盛顿大学 (Washington University) 电气和系统工程副教授杨兰 (Lan Yang) 博士带领的研究小组, 同清华大学合作开发出了一种新型传感器, 可以将检测级别提高到10nm, 并实现逐一计数。研究人员表示, 该传感器有望检测出更小的粒子、病毒和小分子。

该研究结果刊登在2014年9月1日《美国国家科学院学报》 (Proceedings of the National Academy of Sciences) 的在线早报上。

杨教授及其同事研发除了基于二氧化硅晶片的微型拉曼激光传感器, 可用以探测单个纳米微粒, 不再需要将稀土离子 (rare-earth ions) “涂覆”在硅晶片来为激光器提供光增益。传统方法中, 将附加物覆盖到微谐振腔需要更多的处理步骤、成本, 以及更高的生物相容性风险。除此之外, 利用稀土离子需要与离子能量转换相匹配的特定泵浦激光, 才能获得光学增益, 因而不同的稀土离子需要不同的泵浦光。杨教授说, 利用拉曼光谱检测可以降低对泵浦光的光谱限制, 因为可以用任意波长的泵浦光实现受激拉曼散射。

该课题组的研究科学家、本文第一作者Sahin Kaya Ozdemir博士表示:“这为我们的研究提供了方便, 可以通过控制激光频率, 在不同环境下使用同一种无掺杂传感器。例如, 仅仅改变泵浦光的波长就可以得到环境的最小吸收波段或匹配目标纳米微粒的特性。

杨兰的研究团队利用其开创的模态分离技术 (mode splitting) 将拉曼激光整合到一个硅微腔中, 来研发这种对纳米微粒检测能力更强的新型传感器。该技术将有利于电子、声学、生物医学、等离子、安全以及超材料领域。

他们的这类微传感器被称为回音廊模式谐振腔 (whispering gallery mode resonators, WGMRs) , 因为它的工作方式类似于圣保罗大教堂里著名的回音廊, 在圆顶的一端可以听到另一端的人所说的话。杨兰团队的设备利用了类似的原理, 只是利用光波代替了声波。

早期的谐振腔较之新型的形态学谐振腔不同的是, 它们没有反射镜。杨兰团队的WGMR实际上是一种微型激光器, 支持“频率简并模式” (frequency degenerate modes) , 即激光器环形圈内部的频率相同。拉曼激光器的一部分光逆时针旋转, 另一部分瞬时间旋转。一旦粒子落在环上并分散这些模式的能量, 一条拉曼激光就会分裂成两条不同频率的激光。

当谐振腔中产生拉曼激光光束, 它可能会遇到一个环形圈上的粒子, 比如病毒微粒。这条光束会先分成两束, 之后两条激光束会作为彼此的参照, 从而形成一个自参考 (self-referenced) 传感模式。

Ozdemir说:“我们的新型传感器不同于早期的回音廊传感器, 因为它依赖拉曼增益, 而这是二氧化硅固有的特性, 从而不必再用增益介质 (稀土离子或光染料) 涂覆微腔来提高检测能力。它同时保留了二氧化硅的生物相容性, 对于生物介质传感有很大的应用前景。”

杨兰博士表示, 不论用什么波段的光, 只要激光器内部具有拉曼激光循环, 并且有微粒停留在环形圈上, 当光束遇到微粒就会分散到各个方向。通过分离逆时针和顺时针旋转的两种模式, 就可以确认检测到了纳米微粒。

新型传感器的发展前景 篇5

一、基于MEMS技术的新型传感器

微传感器 (尺寸从几微米到几毫米的传感器) 特别是以MEMS (微电子机械系统) 技术为基础的传感器已逐步实用化, 这是今后发展的重点之一。微机械设想早在1959年就被提出, 其后逐渐显示出采用MEMS技术制造各种微型新型传感器、执行器和微系统的巨大潜力。这项研发在工业、农业、国防、航空航天、航海、医学、生物工程、交通、家庭服务等各个领域都有巨大的应用前景。MEMS技术近十年来的发展令人瞩目, 多种新型传感器已经实用化, 微系统研究已处于突破前夜, 创新的空间很大, 已成为竞争研究开发的重点领域。

MEMS器件主要分为惯性测量、压力测量、微流量、光MEMS、射频MEMS以及其他MEMS器件等多种类型及品种, 而目前市售的MEMS器件主要有5种:压力传感器、加速度传感器、微型陀螺、喷墨头、硬盘驱动头。销售最多的是IT领域的喷墨头、硬盘驱动头和汽车领域中的压力传感器、加速度传感器、微型陀螺。而用于生物、化学测试系统的Lab-onchip和其他类型生物芯片则刚刚显露出巨大的潜力。

预测认为, MEMS器件在21世纪初, 其年销售额将以20%~30%的速度增长。

二、生物、医学研究急需的新型传感器

21世纪是生命科学世纪, 特别是人类基因组计划的研究大大促进了对生物学、医学、卫生、食物等学科研究以及现代科学仪器制造所急需的各种新型传感器的研究开发。不仅要求多种生物量传感器如:酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液等传感器, 也需要诸如:血气、血压、血流量、脉搏等生理传感器;还要进一步实现这些功能的集成化、微型化、研制“Lab-onchip”微分析芯片, 使许多不连续的分析过程连续化、自由化, 完成实时、在位分析, 实现高效率、快速度、低成本、无污染和大批量生产的目标。

三、新型环保化学传感器

保护环境和生态平衡是目前我国的重点任务之一, 实现这一目标必须对江河湖海进行体质检测, 这就需要测量污水的流量、自动比例采样、PH、电导、浊度、CO D、BOD、TR、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷以及金属离子浓度特别是重金属离子浓度, 而检测这些参量的多数传感器我们尚不能实用化, 甚至尚未研制。

大气监测是环保的重要方面, 主要监测内容有:风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、No、O3、Co等这些传感器有带开发。

目前全国已建检测站4000多个, 环境科研院所几百个, 装备400多个国家网络检测站, 350多个环境信息中心, 100多个城市空气质量地面自动监测系统, 时刻监测大气污染;有100多个国控水质监测系统需要监测水质;国家要对1800个重点污染企业安装在线连续自动监测系统。“十一五”期间, 全国环保投入1.53万亿。这些说明研究开发新型环保化学传感器的任务是多么迫切和艰巨。

四、工业过程控制和汽车传感器

我国工业过程控制技术水平还很低, 汽车工业也正在迅速发展, 为适应这一形、势, 重点开发新型压力、温度、流量、位移等传感器, 尽快为汽车工业解决电喷系统、空调排污系统和自动驾驶系统所需的传感器也是十分迫切的任务。

我国的汽车工业发展速度加快, 估计2010年将达600万辆的生产能力, 若每辆车用10只传感器, 将需6000万套传感器及其配套变送器和仪表。

一个现代化的高级轿车的电子化控制系统水平的关键在于采用传感器的水平和数量。通常达30余种, 多则达上百种。对压力、温度、流量、位置、距离、速度、加速度、姿态、湿度、电磁、光电、气体、振动等等各种信息进行实时准确测量和控制不可缺少。随着我国汽车工业发展、开发和应用汽车传感器, 实现汽车传感器国产化势在必行。

五、智能化传感器

为了不断的满足测控系统自动化、智能化发展的需要和使信息技术全面均衡地发展, 必把传感器发展到一个更高的层次上。这就是智能化传感器发展的大背景。智能化传感器不仅是简单的传感器, 而且具有诊断和数字双向通信等新功能:

1自补偿功能, 如非线性、温度误差、响应时间、噪声、交叉耦合干扰等的补偿。自诊断功能, 如在接通电源时进行自检, 在工作运行时检查、诊断测试, 以确定哪一组有故障等。

2信息存储和记忆功能。

3基于总线制的双向通信功能。

4今后的智能化传感器必将走向全数字化。目前智能化传感器多用于压力、应力、应变、加速度和流量等测量中, 并向化学、生物、磁和光学等各类传感器的应用上扩展。智能化传感器已是世界上仪器仪表界共同瞩目的研究内容。可以预见, 新兴的智能化传感器将会在关系到全人类国民生计的各个领域发挥越来越大的作用。

结束语:

总之, 随着集成微光、机、电系统技术的发展以及光导、光纤、超导、纳米技术、智能材料等新技术的应用, 将会出现大量的传感器。这些传感器通过进一步的信息采集与传输、处理集成化、智能化, 将具有自检自校、量程转换、定标和数据处理等功能, 传感器的功能必将得到进一步增强和完善, 性能必将进一步提高, 将更加灵敏、可靠。

参考文献

[1]谢志萍主编:《传感器与检测技术》电子工业出版社2004[1]谢志萍主编:《传感器与检测技术》电子工业出版社2004

[2]沈聿农主编:《传感器及应用技术》化学工业出版社2005[2]沈聿农主编:《传感器及应用技术》化学工业出版社2005

电容传感器新型微弱电容测量电路 篇6

电容传感器在检测系统中应用比较多, 其可以保证对液位、位移以及加速度进行测量, 电容传感器在检测的过程中, 对精确性要求比较高, 所以, 相关设计人员一定要对其电路进行优化, 新型微弱电容测量电路是一种新型的电路, 其在电容传感器的应用中, 有效提高了电容传感器的性能, 这种电路的抗干扰能力比较强, 可以适用复杂的环境, 而且可以解决传统电力产生的电子开关电荷问题, 而且应用这种电路, 可以快速及时的收集数据、信号, 其产生的噪音比较小, 可以突破电容传感器发展的瓶颈。

2新型微弱电容测量电路在电容传感器中的应用

新型微弱电容测量电路是在电荷放大的基础上提出的, 其工作的原理如图1所示。

从图1可以了解到新型电路的工作原理, Cx表示被测电容, 其左边接入的是激励电极, 右边接入的是检测电极。被测电容下的两个电容属于杂散电容, 分别用Cas与Cbs表示, 二者都是等效电容, 左侧电容Cas是由激励源实现驱动的, 其不会影响被测电容的电流大小;右侧电容Cbs也不会对被测电容产生影响, 其多处于虚地的状态, 而且左右两端不会产生电压差, 在对被测电容进行测量时, 这两种等效电容不会对测量产生任何影响。通过分析可以看出, 该电路对杂散电容不够敏感, 而且对杂散电容有着较强的抗干扰能力。

新型电容测量电路有着较高的分辨率, 传统电容传感器会受到电子开关产生的电荷的影响, 所以, 信号会受到干扰, 分辨率会大大降低。采用微弱电容测量电路, 可以消除电子开关电荷的影响, 电容传感器在测量时, 产生的误差也会减小。电子开关关闭后, 电容的大小会受到影响, 这可能是由沟道电荷引起的, 也可能是电荷释放引起的。新型微弱电容测量电路对开关控制时序进行调整, 这有效的解决了电子开关电荷问题, 开关控制信号时序图见图2。

在对开关控制时序进行调整后, 有效解决了电子开关电荷注入的效应, 通过改变开关的顺序, 电荷流向被改变了, 电荷从不同节点流出后, 对电路的影响比较小, 不会导致电荷超标问题, 而且对电容传感器的测量结果影响也比较小。采用电路开关时序调整的方式, 可以有效优化电路的性能, 可以降低电荷对测量结果的影响, 有利于提高电容传感器测量的准确性。

电容传感器是一种先进的测量设备, 为了减少电子开关电荷注入效应, 需要合理控制开关的设计, 要保证开关对电路输出不会产生影响, 还要避免电荷过大造成的波形异常现象。开关开启的顺序不同, 对电路产生的影响也不同, 为了保证电子开关产生的电荷对电路不产生影响, 必须在开关断开前完成数据采集工作, 一定要做好电路的优化工作, 对开关时序进行合理的调整, 还要消除电荷注入效应。不同时刻的波形图如图3所示。

由此得到电路的工作原理如下:Vin为充放电的激励电压源, 开关S4和S5及运放U2和U3构成两个采样保持器 (S/H) , U4为仪表放大器, 电容Cf和开关S3构成电荷放大器。测量开关S3的电荷注入效应。在电路开始工作之前, 开关S3处于闭合状态, Vin电压为高, 两个采样保持器都处于采样模式。但由于S3的电荷注入效应, 有电荷被注入电路, 这将导致V3被拉低至VL。在t2时刻, U1的输出稳定并且U3的输出Vout1等于VL, S5断开使采样保持器进入保持模式。假设S3的电荷注入效应相当于输入电压引起, 同时假设S3的输出电容对电路的影响为C0, 则Vout1可表示如下:

测量由激励引起的输出的变化。开关S2断开, 开关S1关闭施加直流电压激励Vin, 右侧极板感应出电荷与S3的电荷注入效应引入的电荷叠加, 导致U1的输出上升, 在t4时刻输出稳定Vout2等于V3, S4断开使采样保持器进入保持模式, 则Vout2可表示为:

得到仪表放大器的输出为:

由已知得可见输出电压与未知电容成线性关系。根据第一步和第二步情况计算得出, 电荷注入效应不会对输出产生影响。该式没有考虑运放U1的输出失调电压和输入失调电流的影响, 是由于同一运放的参数基本稳定, 其对Vout1、Vout2的影响大体相同, 差动式结构可以基本消除这部分影响。采保中的开关S4与S5在断开时, 它们的电荷注入效应会使Vout1、Vout2的波形产生瞬时微小失真, 相对Vout1、Vout2它们的值较小可以忽略。

结束语

本文对电容传感器新型微弱电容测量电路的特性进行了分析, 这种新型的电路是在电荷放大的原理上提出的, 具有良好的抗干扰能力, 其对杂散电容有着较强的抵抗性, 对电子开关产生的电荷有着消除的效果, 可以保证电容传感器的敏感性, 还可以提高电容传感器检测的准确性, 通过实践发现, 应用新型微弱电容检测电路, 电路的检测能力会大大增强, 电路的敏感性也会提高, 分辨率会大大增强, 这提高了电容传感器的应用范围, 而且对电容传感器的优化指引了方向, 采用新型电容传感器, 可以及时的采集到信息数据, 有着良好的应用效果。

参考文献

[1]黄运开.带缝的长直圆柱面电容传感器电容的讨论[J].大学物理, 2000 (1) .

[2]张爱华, 朱亮.基于参考电容的低成本智能电容传感器系统[J].仪表技术与传感器, 2001 (8) .

新型传感器 篇7

堡盟新型电感式传感器IPRM 12的测量分辨率达50 nm,在同类产品中属佼佼者。所有必要的电子元件均集成在其M12外壳中。与此同时,它是同类产品中最快的传感器之一,其测量速度可达1 mm/s。

凭借这些性能特点,该紧凑型传感器成为复杂测量系统无可辩驳的替代产品。与这些系统相比,IPRM12无需任何外部放大器或昂贵的同轴电缆。短小的90毫米M12外壳容纳了测量头、信号估算求值电路、放大及模拟输出电路。由于O…20 mA电流输出与标准模拟卡和电缆兼容,因此无需使用额外接口,从而降低了成本。通常情况下,要同时进行高精度和高速度测量,需要极其复杂的外部硬件和较长的计算时间。而由于采用了集成电子元件,IPRM12使一切都变得简单。即使没有外部温度补偿装置,该传感器的精密开关还能保持温度稳定。坚固的金属外壳和IP 67级防护意味着高度的耐用性。

对于各种测量任务,堡盟提供三种不同配置的传感器版本。根据具体应用,它们可以优化为高分辨率和高线性精度、大感应范围和高分辨率、以及可应对轻微温度漂移的较大测量范围。该电感式传感器的应用领域极广,从测量设备到精密定位和旋转监测应用。

新型传感器 篇8

为了节约成本,提高可靠性,近年来基于无速度传感器控制技术的高性能异步电机控制越来越受到重视。在开环速度估算、模型参考自适应速度估算、基于滑膜变结构观测器的速度估算、基于状态观测器的速度估算、基于人工智能的速度估算等一系列速度估算技术中,模型参考自适应速度估算[1,2,3]以其结构简单、计算量少等优点而成为发展最迅速、应用最广泛的速度估算技术。

在低速状态下估算异步电机转子转速时,由于逆变器输出电压很小(有效值只有几十伏),由死区效应、开关管开通关断延时以及管压降造成的实际定子电压损失不可忽略。如果不进行补偿,参考电压就会明显大于实际施加的定子电压,从而使速度估算误差显著增大。因此,低速运行时必须进行适当的电压补偿,文献[4,5]详述了定子电压补偿的实现方案。在无速度传感器异步电机速度估算中常常需要知道定子电阻上的压降,由于高速时定子电阻压降对计算的影响很小,即定子电阻变化对计算结果的影响很小。然而,在低速条件下,定子电阻压降相对逆变器的输出电压不能忽略,此时定子电阻的变化对速度估算的影响就比较明显了。为提高速度估算对定子电阻变化的鲁棒性,文献[6]进行了定子电阻在线辨识,文献[3]中提出了基于转子无功功率的模型参考自适应速度辨识方法。基于转子无功功率的模型参考自适应速度估算不需要知道定子电阻压降,但该系统不是大范围渐进稳定的。

本文在将基于无功功率的模型参考自适应速度估算加以简化改造的基础上,提出基于无功功率闭环的异步电机无速度传感器控制技术,并分析了该系统的稳定性、对电机参数变化的鲁棒性、动态性能以及低速带负载能力。

1 基于无功闭环的速度估算及控制

1.1 速度估算及控制系统结构

在两相静止坐标系(αβ坐标系)下,异步电机定子电压方程可转化为如下形式:

$\begin{array}{l}u{}_{s\alpha }=R{}_{s}i{}_{s\alpha }+\sigma L{}_s\frac{di{}_{s\alpha }}{dt}+\frac{L{}_m^2}{L{}_r}\frac{di{}_{m\alpha }}{dt}\\ u{}_{s\beta }=R{}_s\beta {}_{s\beta }+\sigma L{}_s\frac{di{}_{s\beta }}{dt}+\frac{L{}_m^2}{L{}_r}\frac{di{}_{m\beta }}{dt}(1)\end{array}$

其中,

$\sigma =1-\frac{L{}_m^2}{L{}_{s}L{}_r},i{}_{m\alpha }=i{}_{s\alpha }+\frac{L{}_r}{L{}_m}i{}_{r\alpha },i{}_{m\beta }=i{}_{s\beta }+\frac{L{}_r}{L{}_m}i{}_r\beta$

令$e{}_{m\alpha }=\frac{L{}_m^2}{L{}_r}\frac{di{}_{m\alpha }}{dt},e{}_{m\beta }=\frac{L{}_m^2}{L{}_r}\frac{di{}_{m\beta }}{dt}$,定义无功功率Qm=is⨂em=isαemβ-isβemα,则有 Qm=isα(usβ-Rsisβ-

$\sigma L{}_s\frac{di{}_{s\beta }}{dt})-i{}_{s\beta }(u{}_{s\alpha }-R{}_{s}i{}_{s\alpha }-\sigma L{}_s\frac{di{}_{s\alpha }}{dt})=i{}_{s\alpha }(u{}_{s\beta }-\sigma L{}_s\frac{di{}_{s\beta }}{dt})-i{}_{s\beta }(u{}_{s\alpha }-\sigma L{}_s\frac{di{}_{s\alpha }}{dt})(2)$

在按转子磁链定向的两相旋转坐标系(mt坐标系)下,无功功率又可表示为:

$Q{}_m=i{}_s⨂e{}_m=\left[\begin{array}{c}i{}_{sm}\\ i{}_{st}\end{array}\right]⨂(j\omega {}_1\left[\begin{array}{c}\psi {}_{rm}\\ \psi {}_{rt}\end{array}\right])=\left[\begin{array}{c}i{}_{sm}\\ i{}_{st}\end{array}\right]⨂\left[\begin{array}{c}-\omega {}_1\psi {}_{rt}\\ \omega {}_1\psi {}_{rm}\end{array}\right]$

,因为在按转子磁链定向的两相旋转坐标系下有:

ψrm=ψr=Lmism,ψrt=0,所以在mt坐标系下无功功率:

Qm=Lmω1i${}_{sm}^2$=Kmω1 (3)

其中,Km=Lmi${}_{sm}^2$。

基于无功功率的转子磁链角及速度估算方法如下:

$\omega {}_1=Q{}_m/{\rm K}{}_m,\theta {}_r={\displaystyle \int \begin{array}{c}\omega {}_1\text{d}t\end{array}}$,

$\omega {}_s=\frac{i{}_{st}}{{\rm T}{}_{r}i{}_{sm}}*\frac{1}{{\rm T}{}_{r}s+1}‚\omega {}_r=\omega {}_1-\omega {}_s(4)$

其中,Qm可由式(4)得到,Tr为转子时间常数。

基于无功功率闭环的异步电机无速度传感器控制系统结构如图1所示。

在上图中,REG1为速度调节器,其输出作为无功功率给定Qmref,REG2为无功功率调节器,其输出作为转矩电流给定Istref。在利用式(4)进行转子磁链角和速度估算时,用Qm、Ism和Ist的参考值(Qmref、Ismref、Istref)代替实际值参与运算,相当于按转子磁链间接定向矢量控制。

1.2 系统稳定性及鲁棒性分析

为便于分析无功闭环系统的稳定性,有必要对图1所示系统的数学模型进行化简。已知在mt坐标系下,异步电机定子电压和电流的关系方程如下:

$\begin{array}{l}u{}_{sm}=R{}_{s}i{}_{sm}+\sigma L{}_s\frac{di{}_{sm}}{dt}+\frac{L{}_m^2}{L{}_r}\frac{d{i}^{\prime }{}_m}{dt}-\omega {}_1\psi {}_{st}\\ u{}_{st}=R{}_{s}i{}_{st}+\sigma L{}_s\frac{di{}_{st}}{dt}+\omega {}_1\psi {}_{sm}(5)\end{array}$

其中,$i\text{'}{}_m=i{}_{sm}+\frac{L{}_{r}i{}_{rm}}{L{}_m}$。

将式(5)第二个等式中的耦合项ω1ψsm当做内部干扰(可通过反馈加以抑制),忽略该项后可得$\frac{i{}_{st}(s)}{u{}_{st}(s)}=\frac{1}{s\sigma L{}_s+R{}_s}=\frac{1}{s{L}^{\prime }{}_s+R{}_s}$。根据文献[7],设电流反馈通道时间常数为Td,令${\rm K}{}_{{\rm T}}=\frac{{\rm T}{}_e}{i{}_{st}}=\frac{3}{2}{\rm N}{}_{p}L{}_{m}i{}_{sm}$得ist电流内环动态模型,如图2所示。

设ist电流调节器传递函数为:

$ACSR(s)={\rm K}{}_c(\frac{\tau {}_{c}s+1}{s})$,令τc=σLs/Rs,Kc=Rs/(2Td),可得传递函数[7]:

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_1(s)=\frac{{\rm T}{}_e(s)}{i{}_{stref}(s)}=\frac{{\rm K}{}_{{\rm T}}}{2{\rm T}{}_d^{2}s{}^2+2{\rm T}{}_{d}s+1}\approx \\ \frac{{\rm K}{}_{{\rm T}}}{2{\rm T}{}_{d}s+1}(6)\end{array}$

再令${\rm P}{}_2(s)=\frac{{\rm N}{}_p}{Js}$,其中Np为极对数,J为电机转动惯量,可得无功闭环系统的动态结构如图3所示。

设无功功率调节器REG2传递函数为:

$REG2(s)={\rm K}{}_{p2}(\frac{\tau {}_{2}s+1}{s})$,则无功功率闭环传递函数为:

$\begin{array}{l}\Phi {}_q(s)=\frac{Q{}_m(s)}{Q{}_{mref}(s)}=\\ \frac{{\rm K}{}_{p2}(\frac{\tau {}_{2}s+1}{s}){\rm P}{}_1(s){\rm P}{}_2(s){\rm K}{}_m}{1+{\rm K}{}_{p2}(\frac{\tau {}_{2}s+1}{s}){\rm P}{}_1(s){\rm P}{}_2(s){\rm K}{}_m}=\\ \frac{{\rm K}{}_{p2}{\rm K}{}_m{\rm K}{}_{{\rm T}}{\rm N}{}_p(\tau {}_{2}s+1)}{2J{\rm T}{}_{d}s{}^3+Js{}^2+{\rm K}{}_{p2}{\rm K}{}_m{\rm K}{}_{{\rm T}}{\rm N}{}_p(\tau {}_{2}s+1)}=\\ \frac{{\rm K}{}_q(\tau {}_{2}s+1)}{2J{\rm T}{}_{d}s{}^3+Js{}^2+{\rm K}{}_q(\tau {}_{2}s+1)}(7)\end{array}$

其中,Kq=Kp2KmKTNp,Km=Lmi${}_{sm}^2$。

根据式(7)可列出劳斯表如表1所示。

由劳斯判据可知系统大范围渐进稳定的充分必要条件为:

2JTd>0,J>0,Kq(τ2-2Td)>0,Kq>0 (8)

由式(4)可知,在基于无功功率进行转子磁链和速度辨识时,不需要知道定子电阻,也不需要定子电阻上的压降,所以该方法对定子电阻变化具有很强的鲁棒性,适用于低速条件下异步电机无速度传感器矢量控制。

1.3 系统稳定裕度及动态性能分析

以肇庆市中宝机电设备实业有限公司生产的YS711-4-ZA型550W三相异步电机为例,其参数如下:

PN=550W,VN=380V,IN=1.85A,fN=50Hz

Np=2,J=0.003kg*m2

Rs=11.1Ω,Ls=0.5502H,Rr=13.05Ω,

Lr=0.5502H,Lm=0.517H

由额定空载励磁电流为0.58A可计算出按转子磁链定向时励磁电流给定$i{}_{smref}=\frac{0.58}{1.85}\times 0.8\approx 0.25$设电流采样频率为5kHz,电流采样通道由滤波造成的延迟为150μs,则电流反馈通道时间常数为${\rm T}{}_d=0.00035\text{s}‚{\rm K}{}_{{\rm T}}=\frac{3}{2}{\rm N}{}_{p}L{}_{m}i{}_{sm}=0.3878‚{\rm K}{}_m=L{}_{m}i{}_{sm}^2=0.0323$,设图3中无功闭环的开环传递函数为Gq(s),则有:

$\begin{array}{l}G{}_q(s)={\rm K}{}_{p2}(\frac{\tau {}_{2}s+1}{s}){\rm P}{}_1(s){\rm P}{}_2(s){\rm K}{}_m=\\ \frac{{\rm N}{}_p{\rm K}{}_{{\rm T}}{\rm K}{}_m{\rm K}{}_{p2}(\tau {}_{2}s+1)}{Js{}^2(2{\rm T}{}_{d}s+1)}=\\ \frac{8.3506{\rm K}{}_{p2}(\tau {}_{2}s+1)}{s{}^2(0.0007s+1)}(9)\end{array}$

令Kp2=60,τ2=0.1～1,系统频率响应曲线如图4所示。

从图4可以看出,当Kp2=60,τ2=0.1～1时,系统相角裕度γ>45°,幅值裕度Lg>50dB,幅频响应曲线L(ω)以-20dB/dec穿越0dB线。可取Kp2=60,τ2=0.5,这时相角裕度约为70°,幅值裕度约为100dB。

当Kp2=60,τ2=0.5时,系统有足够的稳定裕度,但带宽ωb不到50Hz,无法满足系统快速性的要求。为了提高快速性,改善系统动态性能,应增大Kp2 ,减小τ2 。取 Kp2=5500,τ2=0.001～ 0.01,得系统频率响应曲线如图5所示。

当Kp2=5500,τ2=0.001～0.01时,L(ω)仍然以-20dB/dec穿过零分贝线,但中频区宽度已减小,幅值裕度50dB～100dB,相角裕度10°～60°,带宽ωb接近200Hz,可满足系统快速性要求。为保证系统的稳定裕量,可取Kp2=5500,τ2=0.01,这时相角裕度约为60°,幅值裕度约70dB。

2 基于无功闭环的异步电机低速控制实验结果

在基于TI公司的TMS320F28035DSP上实现基于无功闭环异步电机无速度传感器矢量控制的数字化。所用电机仍为YS711-4-ZA型550W三相异步电机,具体电机参数见本文1.3小节。

图6是在0～1Hz范围进行速度辨识时,在Labview8.5上观测到的辨识结果曲线。

由上图可知,系统能较快达到稳态,最终估算速度ωr_estimated与实测速度ωr_measured之间有一定误差,但速度误差在允许范围内。

为验证无功闭环系统的低速带负载能力,在给定频率为1Hz条件下给正在空载运行的电机突加100%的负载(额定负载3.75N*m),图7为突加负载时的速度响应曲线。

3 结束语

本文提出了一种基于无功功率闭环的异步电机无速度传感器矢量控制方法,首先从理论上研究了系统的稳定性、快速性和鲁棒性,然后在样机上进行了低速条件下的速度辨识和带负载能力测试。实验结果表明本文提出的控制策略适用于低速情况下的异步电机无速度传感器控制。

摘要：基于数学模型的速度估算是异步电机无速度传感器控制的核心。目前,围绕速度估算这个问题,在电机控制领域已出现模型参考自适应、自适应观测器以及扩展卡尔曼滤波等多种方法。无论采用哪种速度估算技术,速度估算系统的动静态性能、低速性能、对参数的敏感性、算法的复杂程度及实现难度都是工程师必须考虑的几个重要性能指标。文中针对低速条件下的异步电机速度估算及控制提出了一种基于无功功率闭环的异步电机无速度传感器矢量控制算法,并探讨了该方法的一些性能指标问题。

关键词：异步电机,无速度传感器矢量控制,速度估算,无功功率闭环

参考文献

[1]Colin Schauder.Adaptive Speed Identification for Vector Control ofInduction Motors without Rotational Transducers[J].IEEE Tran-sactions on Industry Applications,1992(9):285-290.

[2]WU Zhigan,Zhi Dawei,Ying Jianping.Research on Speed Estima-tion Algorithm for Induction Motor Drive[J].IEEE Transactions onPower Electronics,2004(6):965-969.

[3]Fang-Zheng Peng,Tadashi Fukao.Robust Speed Identification forSpeed-Sensorless Vector Control of Induction Motors[J].IEEETransactions on Industry Applications,1994(10):1104-1110.

[4]陈伟.基于DSP的感应电机矢量控制系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[5]陈伟,邹云屏,耿攀.三相PWM整流器的死区效应分析及补偿方法[J].高压电技术,2009(5):35-38.

[6]Rashed M,Stronach A F.A stable back-EMF MRAS-based sensor-less low-speed induction motor drive insensitive to stator resistancevariation[J].IEE Electrical Power Applications,2004(6):896-901.

新型传感器 篇9

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料,用陶瓷材料制成的传感器发展非常迅速。这种陶瓷材料包括氧化物、碳化物、氮化物、硫化物以及它们的复合化合物的多晶烧结体、厚膜和薄膜。陶瓷传感器能检测气体、离子、热、光、声、位置和电磁场等。其中气敏、湿敏、热敏方面的传感器多用半导体氧化物陶瓷材料制成,声敏、力敏、加速度和红外敏感方面的传感器多用铁电压电陶瓷材料[1]。通过化学气相沉积、物理气相沉积或其他工艺技术能制成高灵敏度的薄膜,与其他材料相互组合成为陶瓷功能薄膜传感器,还可以同半导体集成电路复合实现信息检测一体化。陶瓷传感器的分类有多种方法,大致如下:

(1)按单晶相化学成分的分类,陶瓷可能是氧化物或非氧化物(氮化物、硼化物、碳化物等)。氧化物陶瓷是制造传感器中最常用的一类。

(2)按其相组成的分类,根据陶瓷相成分的数量可分类成单相或多相陶瓷。单相陶瓷是指那些不存在玻璃相、整个块体中的晶粒都有相同晶体结构的陶瓷。而多相陶瓷则是那些含有玻璃相和单相陶瓷晶粒,或含有玻璃相和多相陶瓷晶粒的陶瓷[2]。

(3)按其物理性质的分类:

根据其电学性质,陶瓷可细分为:绝缘体、导体、半导体。

根据其介质特性,陶瓷可细分为:线性、非线性。

根据其极化机制,陶瓷可细分为:压电体、铁电体、热电体。

根据其磁学特性,陶瓷可细分为:铁氧体、非铁氧体。

随着陶瓷传感器运用越来越广泛,其中一个突出的问题就是在陶瓷金属化后的焊接问题。一般锡焊只能在300度左右工作。环境温度一高,焊点就熔化,传感器就失效了。而银焊虽然可以满足高温运行(1000度左右),但银焊焊接时,焊枪火焰导致陶瓷传感器局部高温,受热不均匀导致陶瓷本身应力不一样而发生结构变形,从而陶瓷炸裂,使整个传感器报废。而且,常规焊接技术对传感器信号输入,输出量有一定的负面影响,测量精度受损。以上焊接存在问题的限制了陶瓷传感器的运用。

1 技术方法

针对现有的一般传感器不能适用于高温条件,采集信号能力弱,焊接的一些突出问题,本文提出一种新型陶瓷传感器制造方法,该方法采用先进制造工艺,确保传感器不仅可以满足高温条件下工作,而且焊接焊点非常小,从而采集信号能力强,外观设计美观。

传感器采用95%Al2O3为原材料,采取先烧结后电镀的方法牢固地将一层金属贴在陶瓷外壁面上。其中烧结工艺是先是涂上一层钼锰合金层高温烧结,使镍层与钼锰合金层牢固结合。最后在硫酸铜离子液体中把铜置换出来,形成铜层。外界信号线和传感器是通过点焊方法相连,具体工艺如下:

其中烧结工艺方法如下[3]:金属化烧结在立式或可选氢气炉中进行。先是涂上一层钼锰合金层,采用还原气氛,但需要含微量的氧化气体,如空气和水汽等,也可采用H2、N2及H2O三元气体,再涂上一层镍并在1000℃左右于干氢中烧结,使镍层与钼锰合金层牢固结合。金属烧结的温度高达1550K,保温时间在60min,金属厚度大约在50um。

实验采用点焊方法将外界信号线和镀铜层相结合;采用先进点焊机,不用焊料,直接将信号线线头(金属线)直接熔化在镀铜层,两者熔为一体,即完成信号线的焊接;焊点占有的高度空间非常小,几乎没有,从而有利于传感器采集信号,结构稳定,耐高温,解决了以上焊接问题。

电镀过程如下:镀液配制硫酸铜,溶剂为蒸馏水,外层金属镍把铜置换出来,形成镀铜层。其中,图1为陶瓷传感器实物图,图2为传感器先进制造工艺流程图。

2 实验验证

通过实验对陶瓷传感器的准确性和可靠性进一步验证。图4为利用此传感器分别测量空气和沙子时各传感器对的电容值,传感器均分12分,实物图如图1所示,故有66对电容值。分析数据得到:装沙子时电容值相应比装空气要高很多。由装空气时电容值得知,最大电容值为相邻对5-6之间,其值为0.851085p F。最小电容值为相对极3-9之间,其值为0.001295p F。二者比值为:772。数据分析可以看出,采用新型制造工艺的传感器测量准确,灵敏度高,测量结果和实际情况相吻合。实验进一步验证了陶瓷传感器的准确性和灵敏度。

同时,通过燃烧实验利用高温气体对陶瓷传感器外表面不断烘烤,结果发现陶瓷传感器在高温条件下依然完好无损,验证了此先进加工工艺可以确保陶瓷传感器的耐高温特性。其中图3为传感器结构示意图,1为陶瓷壁面,2为钼锰合金层,3为镍层,4为铜层,5为点焊焊点,6为铜导线,7为传感器测量区域。

3 总结

陶瓷传感器新型制造工艺主要是在95%Al2O3原材料上,采用先进陶瓷金属化技术和焊接技术相结合,其主要优点概括如下,并且主要特点已通过实验进行了初步验证。

(1)传感器采用95%Al2O3为原材料,因而具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀、高强度等优点。

(2)金属化采用先进烧结后电镀的方法,金属和陶瓷紧密贴在一起,因而具有采集能力强,结构稳定牢固,耐高温等优点。

(3)外界信号线和传感器是通过点焊方法相连,两者焊点处熔为一体,使用无铅焊接,焊点非常小,因而具有结构稳定坚固、耐高温、信号采集能力强、敏感性好的优点,而且焊接操作简单,对环境有保护作用,无污染。

(4)传感器整体结构分配合理,各处连接牢固,外观设计美观,满足高温条件下工作,拓宽了陶瓷传感器运用范围。

以上先进工艺运用在陶瓷传感器,既可提高产品的信号采集灵敏度,满足高温工况下连续工作,同时操作较简易,外观设计美观,对环境有保护作用。此传感器可广泛用以各类信号采集系统:温度采集,压力采集,电磁信号采集等,从而拓宽了陶瓷传感器运用范围。

参考文献

[1]刘维良等.先进陶瓷工艺学,武汉:武汉理工大学出版

[2]Francisco Jose Torres,Javier Alarco,Effect of additives on the crystallization of cordierite-based lass ceramics as glazes for floor tiles.Journal of the European Ceramic Society23(2003)817-826