应变传感阵列

2024-05-24

应变传感阵列（共3篇）

应变传感阵列篇1

引言

近二十年来, 光纤光栅传感器得到了国内外专家学者的广泛关注[3,4], 各种光纤光栅传感器不断涌现, 已出现了如光纤光栅应变传感器[5]、光纤光栅振动传感器[6]、光纤光栅水听器[7]、光纤光栅风速传感器[8]、光纤光栅电流互感器[9]等多种传感器。这些传感器都应用到了相应的领域。其中, 光纤光栅应变传感器应用最为广泛, 如已应用到铁路的监测[10]、压力管道的监测[11]、公路路面的监测[12]等, 此外, 采用光纤光栅同时测量温度和应变也是研究者关注的热点[13,14,15], 由于光纤光栅应变传感器的广泛应用, 光纤光栅的粘贴工艺也得到了研究人员的关注[16], 并且, 粘贴技术影响着传感器的灵敏度和应变的传递, 因此, 光纤光栅粘贴技术的研究在光纤光栅应变传感器的应用中有着非常重要的意义。虽然光纤光栅应变传感器应用非常广泛, 且深受关注, 但作为应变传感阵列的基础研究并不多见, 如对传感阵列中各个传感器分别研究其相应的基本特性, 以及光纤光栅粘贴技术对多个传感器的基本特性的影响情况。

本文首次研究光纤光栅传感阵列的基本特性[1]及其在检测应变过程中存在的问题。首先从光纤光栅粘贴技术入手, 采用不同的粘贴胶粘贴光纤光栅, 并进行相应的测试, 从而检测光纤光栅在不同的粘贴胶的粘贴下所检测应变的变化情况, 通过对检测数据的分析, 选择最能反应光纤光栅检测的真实应变的粘贴胶进行粘贴。阐述了光纤光栅粘贴技术对光纤光栅应变传感器的基本特性的影响, 研究发现, 光纤光栅粘贴技术不仅影响光纤光栅应变传感器的灵敏度, 也影响光纤光栅应变传感器的线性度和重复性, 因此光纤光栅粘贴技术对光纤光栅应变传感器的应用具有十分重要的意义。本文重点研究了光纤光栅应变传感阵列各个传感器的线性度、灵敏度和重复性, 得到如下结论:粘贴技术制约着传感器的灵敏度, 应变传感阵列的各个传感器的线性关系基本一致, 各个传感器重复性也很好。

一理论计算

被研究的光纤光栅应变传感阵列粘贴在等截面悬臂梁上, 通过在悬臂梁的自由端施加载荷来检测应变传感阵列的基本特性, 因此, 根据光纤光栅应变传感器在悬臂梁上的粘贴位置, 理论推导光纤光栅应变传感器在悬臂梁上相对应的位置的应变, 并与实验测试相比较, 从而检测光纤光栅应变传感阵列的有效性和准确性。

下面对光纤光栅应变传感阵列在悬臂梁上的理论应变进行推导和分析。在悬臂梁上粘贴十五个光纤光栅应变传感器组成光纤光栅应变传感阵列, 通过在悬臂梁自由端施加载荷来检测光纤光栅应变传感阵列的基本特性。

光纤光栅应变传感阵列的试验装置图如图1所示, 在悬臂梁上粘贴15个光栅, 这15个光栅分三列粘贴, 每列5个光栅, 三列是并排的, 故在图上只标明了中间一列的5个光栅, 在后续研究中也是针对这5个光栅来分析。h代表梁的厚度, b代表悬臂梁的宽度 (悬臂梁的宽和高未在图中标出) , X代表光栅中心距离自由端的距离 (在此计算靠近悬臂梁固定端的光栅) , L表示悬臂梁自由端到固定端的距离。悬臂梁的材料为不锈钢, 弹性模量在196~216Gpa之间, 故取弹性模量E=196Gpa。由材料力学[2]可知:悬臂梁的抗弯截面系数为

贴光栅位置处的弯矩为

贴光栅位置处的应力为

式中, F为悬臂梁的受力, X为受力点到光栅中心的距离, b为梁截面的宽, h为梁截面的高。

贴光栅位置处的应变为

综合上面各式有:

把光栅粘贴在悬臂梁的位置参数代入式 (5) , 可以得到理论上的应变值, 靠近悬臂梁固定端的光栅中心距离受力端的距离为360mm, 根据悬臂梁的尺寸, 经计算, 可得受力为4.9牛的理论应变为282个微应变, 把实测289pm换算成微应变为近似为289个微应变, 可见, 实测与理论很接近, 误差很小。因此, 采用光纤光栅应变传感阵列来检测应变的变化是有效的。

二实验过程与结果分析

由于光纤光栅粘贴技术对光纤光栅传感器对应变的检测影响很大, 因此在粘贴传感器的过程中要特别注意粘贴表面的处理以及粘贴胶的调制。本实验是在等截面悬臂梁上进行, 故在粘贴光栅应变传感阵列之前, 必须先把悬臂梁的表面进行处理, 首先把梁的表面用酒精清洗干净, 然后在要粘贴光栅的位置做出标记 (由于要粘贴的光栅比较多, 必须把每个光栅粘贴的位置确定好) , 接着把焊接好的光栅串用透明胶把每个光栅的两端固定在悬臂梁上, 这些准备工作完成后, 开始调制AB胶, AB胶为环氧树脂胶, 按1:1的比例调制, 我们采用特定工具自动按比例调制, 最后把调好的胶轻轻地均匀地涂覆在固定好的光栅上, 所有的光栅涂好胶后, 就等待胶完全凝固, 以24小时为准。此后, 即可对悬臂梁进行加载实验。

光纤光栅应变传感阵列的检测是在等截面悬臂梁上进行的, 悬臂梁的基本尺寸如下:长400mm, 宽70mm, 高1.7mm, 弹性模量为E=196Gpa, 光纤光栅应变传感阵列粘贴在悬臂梁的上表面, 靠近悬臂梁的固定端的光栅波长为1308.235nm, 光栅的中心点距离悬臂梁的固定端为40mm, 则距离悬臂梁的自由端为360mm, 第二个光栅波长为1304.451, 中心点距离悬臂梁的固定端为120mm, 则距离悬臂梁的自由端为280mm, 第三个光栅波长为1296.275, 中心点距离悬臂梁的固定端为200mm, 则距离悬臂的自由端为200mm, 第四个光栅波长为1292.684, 中心点距离悬臂梁的固定端为280mm, 则距离悬臂梁的自由端为120mm, 第五个光栅波长为1286.426, 中心点距离悬臂梁的固定端为360mm, 则距离悬臂梁的自由端为40mm, 在悬臂梁的自由端依次添加砝码, 每个砝码的质量都是0.5kg, 一共添加三个砝码, 用以检测光纤光栅应变传感阵列的线性度, 重复性, 灵敏度等基本特性, 图 (2) 至图 (6) 分别是五个光栅线性度和灵敏度曲线。根据各图中的算式可知, 算式X项前面的系数为光纤光栅传感器的灵敏度, 在算式中, 光栅波长的单位为nm, 转化为pm要乘以1000, 那么, 5个光栅传感器的灵敏度分别为6.2pm/N, 20.7pm/N, 35.5pm/N, 23.1pm/N, 64.3pm/N, 靠近梁的固定端的传感器灵敏度要比靠近自由端的光栅应变传感器灵敏度的要高, 这跟传感器在悬臂梁上的位置有关系, 另外, 图5中传感器的灵敏度小于图4中传感器的灵敏度, 根据计算是不可能出现这种情况的, 但由于传感器的灵敏度还跟粘贴技术有关, 因此, 这可能是没有粘贴好, 导致传感器没有完全检测到实际的应变, 从而使传感器的灵敏度降低。由于各个光栅粘贴的位置不一样, 且悬臂梁为等截面梁, 因此, 各个传感器的应变变化是不一样的, 靠近悬臂梁固定端的光栅的变化要大, 因为等截面悬臂梁随位置的不同其应变也相应不同, 悬臂梁根部的应变最大, 自由端点的应变最小, 因此5个光栅的应变变化不同是对应悬臂梁的不同位置引起的, 其检测的应变是准确的。

图 (7) 至图 (11) 是5个传感器的重复性, 它们的重复性都比较好。重复性也是通过三次添加砝码来得到的, 即首先添加一个砝码, 得到一个应变值;在原有砝码的基础上再添加一个砝码, 得到第二个应变值;最后添加第三个砝码, 得到第三个应变值, 这是第一次实验, 这个实验重复一次, 一共得到二组数据, 从而得到传感阵列的重复性。二次实验数据基本重合, 说明应变传感阵列的重复性很好。由此可见, 光纤光栅应变传感阵列检测多点应变是可行。

因此, 通过对光纤光栅应变传感阵列基本特性的检测, 可以得到, 光纤光栅应变传感阵列的基本特性受光纤光栅粘贴技术的影响很大, 不同的粘贴方式将得到不同的特性但总体趋势是一致的。

三结论

实验结果表明, 光纤光栅应变传感阵列对应变的检测是有效的, 光纤光栅应变传感阵列适用于远距离的多点检测, 目前已得到广泛应用, 本文对应变传感阵列的各个传感器的基本特性的检测, 为光纤光栅应变传感阵列的应用提供有力依据。

根据检测结果, 可以看出, 光纤光栅传感阵列灵敏度与光栅个数的多少无关, 而与光纤光栅的粘贴技术有关, 由于每个光栅的粘贴过程不完全一样, 得到的传感器的灵敏度也将有所不同, 因此, 在实际工程应用中, 在粘贴光纤光栅应变传感阵列时, 要特别注意光纤光栅的粘贴工艺, 否则, 将影响检测数据的有效性。

应变传感阵列篇2

在研究中不必考虑传感阵列和物体之间的相对运动的类型 (如旋转、滑行或旋转和滑行同时存在) 。运用一种三维曲面的矩阵表达式来将局部表面倾斜度简化成一个二阶多项式。利用类似的转换形式, 将这种曲面矩阵表达式也能使在安装有传感阵列的机器手在操纵三维曲面接触物时的接触问题变得简单。在现有的传感阵列中把未知的物体作为局部接触、曲面参数以及传感阵列结构结合起来, 虽然这种运算法则的精确度仍然要取决于在传感阵列的空间分辨率, 但是它不再依赖于相对运动无穷小这个假设。因此对于安装有传感阵列的机器人相对于物体表面相对运动的速度的约束就被极大地放宽了。

1 曲面矩阵及其特性

1.1 曲面矩阵定义

在三维传感阵列曲面的一个接触点, 通过建立一个笛卡尔坐标系并使其Z轴与该点向内指向的法线方向一致。X轴和Y轴相互垂直, 且处于切面相切平面, 定义这样的一种坐标结构为接触结构。考虑一个常规的三维曲面, 在接触结构中表示为,

这个曲面函数在传感阵列中可以近似地局部地写成如下的二次齐式的矩阵方程,

或者

定义三维曲面矩阵S为

该式为方位矢量。

下面是一些曲面矩阵的例子,

其中Sp是三维平面内的一般平面, Ss为半径为r的球体, Sc是底面半径为r的圆柱体, 其中心线与Y轴重合, 所有的曲面矩阵都是在接触阵列结构中来描述。在后续的讨论中提到的二阶曲面S都将直接用曲面矩阵S来表示。

1.2 曲面矩阵的基本运算

1.2.1 加减

曲面S作为两个曲面S1和S2相加减后的结果。

这个性质表明, 一个复曲面可以表示成几个简单原曲面的和。

1.2.2 结构转换

经过坐标变换, 原曲面S0转变成S, 可以用式子表示为:

T也是从原结构到新结构的转变, S即为转换后的曲面矩阵, 它保持了作为一个曲面矩阵的所有性质和运算法则。

2 接触物外形恢复的策略

对于接触物体来说, 传感阵列接触仅仅提供了局部的测量。在搜集和推断未知物体的信息时, 这就要求机器人通过传感阵列来获取和物体之间的旋转或滑行触点。

2.1 传感阵列接触物外形恢复运算法则

外形传感运算法则是处理传感阵列结构 (或空间采样点) 的三维曲面之间的斜率。首先利用机械直接运动学和触觉传感来定位触点结构, 然后用从传感器阵列中得到的有用触点信息来求解接触曲面矩阵。

机器人结构为{W}, 物体结构被命名为{O}, 同时还要引入一个传感阵列结构{S}, 它位于机器人上的接触测量装置。在有效触觉传感中, 机器人的运动经常可以在直接运动学中利用机器人的联合角度测量方式得以利用。换句话说, 传感阵列结构的方位sωr (t) 和方向sωR (t) 是已知的, 而时间由机器人运动决定。触觉传感提供了关于传感结构的触点相对位置, 即机器人端触点的方位sRf (t) 和速度svf (t) 通过触觉传感是可以测量的。在触点的曲面法线可以通过利用触觉传感寻找触点受力的方向来测量。或者在有效接触传感中与机器手接触的物体外形已知的情况, 触点的曲面法线可以简化, 从传感阵列的形状和给定的触点方位中计算出来。一旦曲面法线确定了, 那么触点结构方向sRc也可以确定。

因此可以得到

等式 (8) (9) 即一般的方位约束, 关于物体结构的触点结构方位可以得出,

其中, oωR是物体结构{O}的方向。

利用一般法线约束触点结构的方向可以表示成

2.2 传感阵列中的局部曲面参数

在曲面矩阵S中有10个独立元, 要解决所有这些未知量, 可以一次性进行N次测量。例如利用现有的触觉传感数据和过去的N-1次测量数据。对于全部N次测量重写式 (12) , 表达的深刻所有式子都与接触结构相关,

其中t为时间参数,

w (t-i) 在Cf (t-i) 中表示成相对角速度。

将所有物体曲面矩阵转化为现在的触点结构Cf (t) , 传感阵列接触点结构 (或者S (t) ) 得到了所有的用曲面矩阵S表达的N个矩阵方程。关于触点结构的定义还给出了一个边界条件{z=0, 在x=y=0时}。

2.3 触觉的控制方案

由于有效触觉传感所具有的特性需要导出一种控制方案, 它能够伺服机器人联合运动, 基于触觉传感得到的外形和触点力大小以及力的方向。由此接触得以维持, 曲面跟踪策略得以应用, 这种控制是以当前以及先前的触觉测量为基础的。

触觉传感阵列的真实状态可以通过触觉传感和机械直接运动学得出, 如 (8) (9) 式。反馈的触觉状态可以由与触觉结构真实状态相关的向量来表示。

其中xa和ya是在相切平面内确切的触点方位, Fa是触点的法向力, Kz是硬度因子, θxa, θya和θza表示触点的确切方向。在机器人的运动时, 考虑了预期的局部物体形状, 这是从外形传感运算法则得到的, 在每个采样周期都适用, 同时这弥补了预期的和真实接触状态的差距。

3 结语

采用曲面矩阵来讨论传感阵列的接触物形状识别问题, 并用这种方法来操作三维曲面几何图形、接触点约束以及机器人机械运动方程非常方便。在提出有效触觉传感策略的同时, 外形传感运算和控制方案得以实现。

摘要：本文提出了一种三维表面的矩阵运算方法, 这种方法可应用于处理触觉传感阵列的接触物外形恢复问题。运用这种方法得到一种有效的接触物外形识别的运算方法和机器人触觉的控制方案。

关键词：触觉传感阵列,识别意识

参考文献

[1]H.R Nicholls, M H Lee.A survey of robot tactile sensing technology.Ro-botics Research, 1989, 8 (3) :3～30.

[2]B L Gery, S N Gottschlich.A tactilesensing system for dexterous manipulation.IEEE/RSJIROS, 1994:1384～1390.

[3]张红芬, 李科杰, 申延涛.机器人触觉临场感系统研究[J].机器人, 2000, 22 (5) :365～370.

广域次声传感器阵列网络系统设计篇3

次声 (Infrasound) 是频率低于20Hz的声音。次声的频率很低, 波长很长, 传播距离很远[1][2]。次声在传播过程中能量损失慢, 能量很高的次声具有极大的破坏力。自然界中很多现象, 如海啸、火山喷发、泥石流等都能产生次声。此外, 地震也会产生次声信号[4], 由于近年来地震频频发生, 因此, 对次声信号进行采集分析具有重要意义。

目前, 世界各国应用阵列技术对次声源的监测和分析仍处于研究阶段[3], 还未形成完备的监测系统和成熟的分析方法, 其阵列存在下限频率不够低, 灵敏度不够高, 阵元数目少等不足。因此, 本文就针对地震次声信号设计了一种广域次声传感器阵列网络监测系统, 填补了我国国内次声监测网络的空白。该系统可以通过广域有线或无线网络采集并传输次声信号, 采集的数据以文件方式上传至服务器, 可以在无人看管的情况下稳定工作, 保证了数据的可靠性和稳定性。

2 系统硬件组成

广域次声传感器网络系统主要由电容式次声传感器、次声信号采集仪、连接设备、调制解调器及大屏显示器组成。一台次声信号采集仪配接一个自行研制的次声传感器组成广域最小次声网络监测系统, 也可叫阵元, 而广域次声监测系统是由多个阵元构成的。该监测系统可以对次声实时监测, 也可以将传声器采集到的数据通过互联网上传至服务器, 通过下载服务器上的数据来分析次声信号。系统总体结构框架及实物如图1所示。

2.1 电容式次声传感器

次声信号的接收通常会受到环境干扰, 尤其是对微弱信号的提取, 无可避免的会存在噪声, 因此就需要对信号进行合适的放大及滤波, 保留所需要的频率段的信息。本系统采用电容式次声传感器来完成次声信号的接收。

其基本原理是:将金属膜片平行于后极板固定, 构成平行板电容器, 二者之间的静态距离长时间保持恒定, 即头电容保持恒定, 当次声波作用于敏感头, 引起膜片与后极板之间距离的变化从而产生微小的电容变化, 转换为微弱电压变化[5]。由于电压小, 运用载波信号检测技术对信号调制和解调后, 经过低通放大对信号进行增强后输出, 如图2。

采用低压高频载波检测方法, 信号源的信号不能传输的很远, 所以要加上载波, 这样可以防止由于敏感膜太大当贴膜时而可能出现打火现象, 避免击穿膜片, 可以提高检测到的次声波信号的信噪比。将敏感单元输出的微弱信号调制输出可以降低材料和电路噪声的影响。为了降低检测信号的传输损耗, 本系统采用低阻输出技术将管道次声波信号输送到远距离的检测仪器中。

低通滤波采用巴特沃斯低通滤波器, 可用公式 (1) 表示:

undefined (1)

其中, n 为滤波器的阶数;ω是信号的角频率;ωc为截止频率, 振幅下降为-3分贝时的频率。

电容型次声频传感器频率响应受劲度 (弹性的倒数) 控制, 系统的高频由系统的劲度控制, 有平直的响应, 其下限频率很容易做得很低, 甚至为零赫兹, 灵敏度可以做得非常高。传感器只对声波敏感, 对振动不敏感, 使传感器有很好的抗干扰性能。图3所示的传感器灵敏度为339mv/Pa, 动态范围为128dB (0.00002Pa-50Pa) , 可测量频率范围0.0001Hz-100Hz, -3分贝时的频率0.01Hz-40Hz, 可感知的频率范围完全满足次声信号采集的要求。

2.2 次声信号采集仪

次声信号采集仪采用ARM9的S3C2440处理器[6], 它是一个通用网络远程采集信号并远程数据传输的智能化产品。可实现最多16路数据采集, 最高采样率为250kHz。具有两种供电方式, 一种是+9V电池供给次声信号采集仪工作电源, 在其内部转化成所需的工作电压, 在面板上的直流输出插座输出+15V, -15V, +5V三种直流电压, 其工作电流10mA, 可作为次声传感器工作电源;一种是交流220V交流供电, 适合野外有工作条件的地方, 并能够长期数天数月工作, 通过Internet网络组成广域网络大规模测量系统。

2.2.1 硬件组成

次声信号采集仪采用三星公司的16/32位RISC的S3C2440处理器[6], 是一种ARM9处理器的精简指令集的嵌入式计算机系统, 实现了MMU、AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。图4为次声信号采集仪框图, 主要有USB接口、GPS、串口、ADC、网口接口及存储模块, 此外还包括时钟控制、交直流切换及数据采集模块。

采用GPS同步及时钟校准功能, 其精度可达0.1ms, 保证了广域多路信号采集的同步性, 并可获取当前地点次声数据、经纬度数据以及温湿度数据。

2.2.2 次声信号的采集传输

次声传感器和次声信号采集仪完成信号采集后, 将次声信号通过网络以数据文件形式上传到服务器。为防止网络断开时数据丢失, 采集到的数据先存入内置SD卡或U盘等缓存中, 通过网络与服务器交换数据。也可通过修改网络传输仪的工作参数 (如采样频率、上传数据时间间隔) , 实现远程更新程序功能。次声采集仪可以通过多种模式将数据文件上传至服务器。次声信号采集传输过程流程图如图5所示。

在局域网模式时, 通过路由器上网, 第一步要搭建服务器。服务器IP与次声信号采集仪的IP要在一个域段内。硬件连接好以后, 插好加密狗, 登录服务器来修改次声信号采集仪的参数配置, 设置完成后拔掉加密狗关机, 再开机, 仪器就能正常工作了。采集的数据以文件方式上传至服务器, 当服务器关闭或者网络不通时, 由于数据无法上传至服务器, 会暂存在SD卡中。待服务器正常以后, 等待下一个文件传输时刻, SD卡中的数据会自动文件上传至服务器。

在广域网模式时, 分为有线和无线传输, 无线传输用GPRS模式[7]或者3G上网模块。有线传输数据为2进制, 每批数据形成一个文件, 可通过电话线ADSL、小区宽带网络、固定IP地址等网络连接方式向远程FTP服务器传送采集数据。同局域网方式类似, 第一步也要搭建服务器。修改次声信号采集仪的设置, 此时服务器IP与次声信号采集仪IP可以不在同一个域段内。

无论是广域网模式还是局域网模式, 都具有定时快速采集功能, 即可以通过人工操作对所关心的时间段和采样率进行设置的定时快速采集, 此时采样率比较高, 理论上采样率可达250kHz。

3 系统软件设计

该系统软件主要是在嵌入式Linux操作系统基础上开发的应用程序。在完成了系统硬件的设计之后, 对各个硬件部分编写了相应的驱动程序, 并对硬件的各个部分进行了测试, 保证了系统硬件部分运行的稳定性和可靠性。数据分析显示模块, 在VS2005的环境下, 采用可视化编程语言Visual C++[8], 融入OLE、SQL及数据库技术进行编程。该模块可实现数据下载、数据波形显示[9]、频显示、图形的放大、缩小及保存等功能。

对次声信号的处理主要采用matlab软件作为信号的处理工具, 并采用自行编程的开源数据库管理系统MYSQL, 结合SQL语句创建的数据库, 在QT的编译环境下[9], 用C++编写自动入库程序, 通过matlab软件对信号进行处理。图6为编程实现的数据显示界面。

4 数据处理

采用matlab软件对信号进行分析处理。图7是在2011年3月11日日本大地震发生前监测到的异常次声信号。地震前8天, 即2011年3月2日3时, 北京香山监测站的INSAS2008传感器检测到了主周期500s的地震前兆次声波 (灵敏度50mV/Pa) 。图8是图7次声信号的频谱图, 能量主要集中在0.003Hz-0.008Hz之间的低频部分, 且有多个峰值。

5 结束语

本文设计的次声信号采集系统适合广域范围内次声信号的接收与采集, 可靠性高。该系统为广域网络次声传感器阵列的设计以广域范围为基础, 实现提供了理论依据和实践支持, 并且通过数据分析, 对研究大气次声波的多样性及其与自然现象的关系提供了新的参考。

预计在将来可以实现次声信号可以以类似噪声地图的形式显示, 并大大缩短了更新周期。应用该次声监测系统对次声波信号进行长期监测与分析, 发现了一种与地震相关的低频次声波信号, 对地震前兆预测和预防有一定的意义。

参考文献

[1]马大猷, 等.现代声学理论基础.科学出版社, 1987.

[2]魏新元, 等.广域次声网络监测系统的设计.电声技术, 2011,

[3]林琳, 等.基于广域网络测量传感器阵列的大气低频次声波观测研究, 2010.

[4]郑菲, 等.次声信号与地震关系研究.中国地球物理第二十一届年会论文集, 2005.

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[6]李亚峰.ARM嵌入式linux设备驱动实例开发[M].北京:中国电力出版社, 2008.

[7]赵亮, 黎峰.GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J].计算机工程与设计, 2005, 26 (9) :2552-2554

[8]汪翔, 袁辉.Visual C++实践与提高.网络编程篇[M].北京:中国铁道出版社, 2001.