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引言

傳感器作為人機(jī)交流的工具之一 ,能夠及時(shí)捕捉機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中的各種信息, 為人們的下一步?jīng)Q策提供技術(shù)和理論依據(jù) 。同時(shí)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和參數(shù)研究方面,也能提供準(zhǔn)確的技術(shù)支持。上個(gè)世紀(jì)國(guó)際一些大公司如波音公司 , 部分新產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了無(wú)樣機(jī)生產(chǎn),這主要是傳感器技術(shù)的應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步 ,傳感器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。目前已滲透到各個(gè)領(lǐng)域 。以農(nóng)業(yè)機(jī)械為例 ,黑龍江農(nóng)墾系統(tǒng)近年引進(jìn)的各種型號(hào)的拖拉機(jī)都裝有不同種類(lèi)的傳感器 ,在力調(diào)節(jié) 、位調(diào)節(jié)和力位綜合調(diào)節(jié)方面均由傳感器直接控制 。充分顯示了機(jī)器作業(yè)過(guò)程中的先進(jìn)性和駕駛員操作的方便性。

 

1　 電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器

1. 1測(cè)力傳感器的組成

傳感器的作用一般是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出 ,它主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件, 測(cè)量電路和輔助電源四部分組成。

1. 1敏感元件:在傳感器中,主要作用是感受被測(cè)量的變化 ,同時(shí)將被測(cè)量變換成易于變換成電量的某一中間變量。如膜片式壓力傳感器 ,它的敏感無(wú)件是一個(gè)彈性膜片 ,其作用是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟て淖冃?為下一步電信號(hào)的輸出做準(zhǔn)備。

1. 2轉(zhuǎn)換元件:傳感器通過(guò)轉(zhuǎn)換元件將敏感元

件輸出的中間非電量轉(zhuǎn)換為可以被傳感器利用的電量。它主要是利用某些物理的、化學(xué)的或生物的效應(yīng)等來(lái)達(dá)到這一目的。如膜片式壓力傳感器的轉(zhuǎn)換元件 ,它利用電阻應(yīng)變效應(yīng), 也就是金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨著它所受機(jī)械變形的大小而發(fā)生變化的原理 ,將彈性膜片的變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。

2. 3測(cè)量電路:轉(zhuǎn)換元件輸出的電量常常難以

直接進(jìn)行顯示 、記錄和處理, 需要將其進(jìn)一步變換成可直接利用的電信號(hào)。完成這一功能的是測(cè)量電路。如應(yīng)變式壓力傳感器中的測(cè)量電路是橋式電路, 它可以將應(yīng)變片輸出的電阻值轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓信號(hào) ,經(jīng)放大后即可推動(dòng)記錄裝置和顯示儀表的工作。

2. 3輔助電源 :有些傳感器除電路電源外 ,還需一輔助電源提供給信號(hào)。這四部分的聯(lián)系如圖所示:

2　 對(duì)測(cè)力傳感器的基本要求

機(jī)械上使用的傳感器型式多種多樣, 但應(yīng)用較多的還是電阻式傳感器。電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器內(nèi)部電路一般是橋式電路 。電阻作為轉(zhuǎn)換元件 。電阻阻值的變化最終以信號(hào)的形式輸出 。因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性和穩(wěn)定性好 、輸出精度高等特點(diǎn) , 在實(shí)際中越來(lái)越受到重視。其采用的敏感元件是彈性測(cè)試元件,主體就是一個(gè)彈性體 。其中彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器性能的影響極大。如果測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不合理, 無(wú)論彈性體的加

工精度多高 、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好,測(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高的測(cè)力性能 。因此, 在測(cè)力傳感器的選擇過(guò)程中, 彈性體的結(jié)構(gòu)型式至關(guān)重要 。傳感器的電路工作原理如圖所示。

彈性體的設(shè)計(jì)基本屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍 ,但因測(cè)力性能的需要, 其結(jié)構(gòu)上與普通的機(jī)械零件和構(gòu)件有所不同 。一般說(shuō)來(lái) ,普通的機(jī)械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度即可 ,對(duì)在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分布情況不必嚴(yán)格要求。然而 ,對(duì)于彈性體來(lái)說(shuō),除了需要滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求以外 ,必須保證彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片部位 (以下簡(jiǎn)稱 “貼片部位”)的應(yīng)力(應(yīng)變)與彈性體承受的載荷 (被測(cè)力 )保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系;同時(shí), 為了提高測(cè)力傳感器測(cè)力的靈敏度 ,還應(yīng)使貼片部位達(dá)到較高的應(yīng)力 (應(yīng)變 )水平 。綜上所述,測(cè)力傳感器的彈性體在選擇過(guò)程中必須滿足以下兩項(xiàng)要求:

(1)貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)應(yīng)與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系;能夠真實(shí)反映被測(cè)構(gòu)件的變形情況 。

(2)貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力 (應(yīng)變)水平 。及時(shí)反映出構(gòu)件的受力情況。

為了滿足上述兩項(xiàng)要求 ,在測(cè)力傳感器的彈性體元件選擇方面 ,經(jīng)常應(yīng)用 “應(yīng)力集中 ”的原則, 確保貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變 )水平較高 , 并與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 以提高所設(shè)計(jì)測(cè)力傳感器的測(cè)力靈敏度和測(cè)力精度。

2. 2改善應(yīng)力 (應(yīng)變 )不規(guī)則分布的 “應(yīng)力集中”原則

在機(jī)械零件或構(gòu)件的測(cè)試過(guò)程中, 通常認(rèn)為應(yīng)力(應(yīng)變)在零件或構(gòu)件上是規(guī)則分布的 , 如果零件或構(gòu)件的截面形狀不發(fā)生變化 , 不必考慮應(yīng)力 (應(yīng)變)分布不規(guī)則的問(wèn)題 。其實(shí), 在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)中 ,對(duì)于應(yīng)力 (應(yīng)變)不規(guī)則分布的問(wèn)題并非不予考慮 ,而是通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。

而對(duì)于測(cè)力傳感器來(lái)說(shuō), 它是通過(guò)電阻應(yīng)變片測(cè)量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來(lái)測(cè)量被測(cè)力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力 (應(yīng)變 )與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,實(shí)際上就是保證在測(cè)力傳感器受力時(shí),彈性體上貼片部位的應(yīng)力 (應(yīng)變 )要按照某一規(guī)律分布,即按照被測(cè)構(gòu)件的變化規(guī)律分布。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于彈性體貼片部位應(yīng)力 (應(yīng)變 )分布影響較大的因素主要是彈性體受力條件的變化。彈性體受力條件的變化是指當(dāng)彈性體受力的大小不變時(shí), 力的作用點(diǎn)發(fā)生變化或彈性體與其相鄰的加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化。如果在彈性

體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) ,未能考慮這一情況 ,就可能造成彈性體上應(yīng)力 (應(yīng)變)分布的不規(guī)則變化 。下面以筒式測(cè)力傳感器為例加以說(shuō)明。

當(dāng)筒式測(cè)力傳感器上、下端面均勻受力時(shí),在彈性體貼片部位的整個(gè)圓周上應(yīng)力 (應(yīng)變 )的分布是均勻的。當(dāng)上 、下兩個(gè)端面上受力情況發(fā)生變化后,力在兩個(gè)端面的作用情況不再是均勻分布的, 這時(shí)彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力 (應(yīng)變 )的分布情況就難以預(yù)料了。如果筒式測(cè)力傳感器彈性體的高度與直徑之比在一定范圍之內(nèi) (如小于或等于 2. 5), 彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力 (應(yīng)變 )基本上還是均勻分布。但是 ,在實(shí)際應(yīng)用中 ,受傳感器外形尺寸的影響 ,筒式測(cè)力傳感器彈性體的高度與直徑之比有時(shí)大于 2. 5, 彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力(應(yīng)變)就會(huì)發(fā)生不均勻分布 ,而且不均勻分布的情況隨彈性體受力情況的變化而改變 。在這樣的條件下, 彈性體貼片部位的應(yīng)力 (應(yīng)變 )與被測(cè)力往往不能保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將造成明顯的測(cè)力誤差。

為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差,有些傳感器在設(shè)計(jì)上采取在筒式測(cè)力傳感器彈性體上增加貼片數(shù)量的方法 , 盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力 (應(yīng)變 )分布不均勻的情況測(cè)量出來(lái) 。這樣的處理方法有一定的效果, 可以減小彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差。但這種方法畢竟是一種被動(dòng)的方法 ,因?yàn)樵黾拥馁N片數(shù)量總是有限的 ,還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力(應(yīng)變)分布不均勻的情況全部測(cè)量出來(lái) , 測(cè)力誤差雖能夠減小 ,但其程度也不夠顯著。

彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差的實(shí)質(zhì)是彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力 (應(yīng)變)的不規(guī)則分布, 如果能使彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力 (應(yīng)變 )分布受到一定條件的約束 , 迫使貼片部位的應(yīng)力 (應(yīng)變 )按照某一規(guī)律分布 ,因而使得彈性體貼片部位的應(yīng)力 (應(yīng)變 )與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 由此來(lái)減小因彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差。將是很好的舉措。對(duì)于筒式測(cè)力傳感器來(lái)說(shuō), 在承載強(qiáng)度足夠的條件下 ,如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空 ,使得應(yīng)力只能在未挖空的部位分布 ,大大改善了應(yīng)力 (應(yīng)變)不規(guī)則分布的情況?；蛘哒f(shuō),應(yīng)力(應(yīng)變)的不規(guī)則分布僅僅限于未挖空的部位, 并且其不規(guī)則分布的程度不會(huì)很大。因此 ,在未挖空的部位粘貼電阻應(yīng)變片 ,就能使測(cè)得的應(yīng)力 (應(yīng)變 )與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系 。

上述處理方法實(shí)際上出于這樣一個(gè)原理 :通過(guò)某種措施,使彈性體上的應(yīng)力 (應(yīng)變 )集中分布在便于貼片檢測(cè)的部位,實(shí)現(xiàn)測(cè)得的應(yīng)力(應(yīng)變)與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,以保證傳感器的測(cè)力精度。筆者曾用上述方法對(duì)筒式測(cè)力傳感器進(jìn)行改進(jìn) 。測(cè)力精度明顯提高。

2. 3提高應(yīng)力(應(yīng)變)水平的應(yīng)力集中原則

若要測(cè)力傳感器達(dá)到較高的靈敏度, 通常應(yīng)該使電阻應(yīng)變片有較高的應(yīng)變水平, 即在彈性體上貼片部位應(yīng)該有較高的應(yīng)力 (應(yīng)變 )水平 。

實(shí)現(xiàn)彈性體上貼片部位達(dá)到較高應(yīng)力 (應(yīng)變 )水平有兩種常用的方法:

(1)整體減小彈性體的尺寸, 全面提高彈性體上的應(yīng)力(應(yīng)變)水平 ;

(2)在貼片部位附近對(duì)彈性體進(jìn)行局部削弱 ,使貼片部位局部應(yīng)力 (應(yīng)變)水平提高 ,而彈性體其它部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平基本不變。

以上兩種方法都可以提高貼片部位的應(yīng)力 (應(yīng)變 )水平 ,但對(duì)彈性體整體性能而言 ,局部削弱彈性體的效果并不影響測(cè)試結(jié)果。因?yàn)榫植肯魅鯊椥泽w既能提高貼片部位的應(yīng)力 (應(yīng)變 )水平 ,又使得彈性體整體保持較高的強(qiáng)度和剛度 ,有利于提高傳感器的性能和使用效果。

局部削弱彈性體提高貼片部位應(yīng)力 (應(yīng)變)水平的原理是:通過(guò)局部削弱彈性體 ,造成局部的應(yīng)力集中 ,使得應(yīng)力集中部位的應(yīng)力 (應(yīng)變)水平明顯高于彈性體其它部位的應(yīng)力水平, 將電阻應(yīng)變片粘貼于應(yīng)力集中部位,就可以測(cè)得較高的應(yīng)變水平。

局部應(yīng)力 (應(yīng)變 )集中的方法在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)中經(jīng)常被采用, 尤其在梁式測(cè)力傳感器 (如彎曲梁式和剪切梁式測(cè)力傳感器 )的彈性體設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用 。局部應(yīng)力 (應(yīng)變 )集中方法應(yīng)用較為成功的當(dāng)數(shù)剪切梁式測(cè)力傳感器。剪切梁式測(cè)力傳感

器是通過(guò)檢測(cè)梁式彈性體上的剪應(yīng)力 (剪應(yīng)變 )實(shí)現(xiàn)測(cè)力的 。

 

3　 新技術(shù)在傳感器方面的應(yīng)用

3. 1新材料、新工藝和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

半導(dǎo)體材料在敏感技術(shù)中占有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì), 半導(dǎo)體傳感器不僅靈敏度高 、響應(yīng)速度快、體積小、質(zhì)量輕 ,而且便于集成化 ,仍將占有主要地位 ;以一定化學(xué)成分 、經(jīng)過(guò)成型及燒結(jié)的功能陶瓷材料 ,其最大特點(diǎn)是耐熱性 ,在敏感技術(shù)的發(fā)展中具有很大的潛力;同時(shí)將半導(dǎo)體的精密細(xì)微加工技術(shù) 、靜電封接技術(shù)等應(yīng)用在傳感器的制造中 , 可極大提高傳感器的性能指標(biāo) 。

3. 2傳感器發(fā)展的集成化、多維化 、多功能化和智能化

采用集成加工技術(shù) ,將傳感器的各部分制作在同一個(gè)芯片上, 從而使傳感器具有了體積小 、質(zhì)量輕、生產(chǎn)自動(dòng)化程度高、制造成本低 、穩(wěn)定性和可靠性高 、安裝調(diào)試時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn) ;使用電子掃描技術(shù),將多個(gè)傳感器單元做在一起, 就可以研究多維空間的問(wèn)題,如 CT技術(shù)等 ;智能化傳感器還能將數(shù)據(jù)的采集 、存儲(chǔ) 、處理等一體化,從而實(shí)現(xiàn)其多功能化 。

 

4　 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步,傳感器的發(fā)展將是日新月異、突飛猛進(jìn) ,其發(fā)展趨勢(shì)也將是各學(xué)科之間的相互交叉、相互滲透和相輔相成。由于其結(jié)構(gòu)型式的和原理的不同 ,其功能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)也不一樣,在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)不同情況進(jìn)行選型。在測(cè)力傳感器的選型和設(shè)計(jì)方面 ,如果能自覺(jué)地按照上述原則 ,對(duì)彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 就能夠收到提高測(cè)力傳感器的測(cè)力精度和測(cè)力靈敏度的良好效果 。在機(jī)械的自動(dòng)化應(yīng)用方面有一定的積極意義 。

 

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