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引言

傳感器作為人機(jī)交流的工具之一 ,能夠及時捕捉機(jī)器在運行過程中的各種信息, 為人們的下一步?jīng)Q策提供技術(shù)和理論依據(jù) 。同時在產(chǎn)品設(shè)計和參數(shù)研究方面,也能提供準(zhǔn)確的技術(shù)支持。上個世紀(jì)國際一些大公司如波音公司 , 部分新產(chǎn)品已實現(xiàn)了無樣機(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)用也越來越廣泛。目前已滲透到各個領(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)的各種型號的拖拉機(jī)都裝有不同種類的傳感器 ,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)變片式測力傳感器

1. 1測力傳感器的組成

傳感器的作用一般是將被測的非電量轉(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量的變化 ,同時將被測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 ,它的敏感無件是一個彈性膜片 ,其作用是將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟て淖冃?為下一步電信號的輸出做準(zhǔn)備。

1. 2轉(zhuǎn)換元件:傳感器通過轉(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。完成這一功能的是測量電路。如應(yīng)變式壓力傳感器中的測量電路是橋式電路, 它可以將應(yīng)變片輸出的電阻值轉(zhuǎn)換成一個電壓信號 ,經(jīng)放大后即可推動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。這四部分的聯(lián)系如圖所示:

2　 對測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的形式輸出 。因具有結(jié)構(gòu)簡單、線性和穩(wěn)定性好 、輸出精度高等特點 , 在實際中越來越受到重視。其采用的敏感元件是彈性測試元件,主體就是一個彈性體 。其中彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對測力傳感器性能的影響極大。如果測力傳感器的彈性體設(shè)計不合理, 無論彈性體的加

工精度多高 、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好,測力傳感器都難以達(dá)到較高的測力性能 。因此, 在測力傳感器的選擇過程中, 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)計基本屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的范圍 ,但因測力性能的需要, 其結(jié)構(gòu)上與普通的機(jī)械零件和構(gòu)件有所不同 。一般說來 ,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 ,對于彈性體來說,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 (以下簡稱 “貼片部位”)的應(yīng)力(應(yīng)變)與彈性體承受的載荷 (被測力 )保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系;同時, 為了提高測力傳感器測力的靈敏度 ,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,測力傳感器的彈性體在選擇過程中必須滿足以下兩項要求:

(1)貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)應(yīng)與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系;能夠真實反映被測構(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 。及時反映出構(gòu)件的受力情況。

為了滿足上述兩項要求 ,在測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 , 并與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系, 以提高所設(shè)計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。

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)件的測試過程中, 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)則的問題 。其實, 在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計中 ,對于應(yīng)力 (應(yīng)變)不規(guī)則分布的問題并非不予考慮 ,而是通過強(qiáng)度計算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。

而對于測力傳感器來說, 它是通過電阻應(yīng)變片測量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力 (應(yīng)變 )與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系 ,實際上就是保證在測力傳感器受力時,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,即按照被測構(gòu)件的變化規(guī)律分布。在實際應(yīng)用中,對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, 力的作用點發(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)計時 ,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 。下面以筒式測力傳感器為例加以說明。

當(dāng)筒式測力傳感器上、下端面均勻受力時,在彈性體貼片部位的整個圓周上應(yīng)力 (應(yīng)變 )的分布是均勻的。當(dāng)上 、下兩個端面上受力情況發(fā)生變化后,力在兩個端面的作用情況不再是均勻分布的, 這時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 ,在實際應(yīng)用中 ,受傳感器外形尺寸的影響 ,筒式測力傳感器彈性體的高度與直徑之比有時大于 2. 5, 彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力(應(yīng)變)就會發(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 )與被測力往往不能保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系,將造成明顯的測力誤差。

為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測力誤差,有些傳感器在設(shè)計上采取在筒式測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量出來 。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力誤差。但這種方法畢竟是一種被動的方法 ,因為增加的貼片數(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量出來 , 測力誤差雖能夠減小 ,但其程度也不夠顯著。

彈性體受力條件的變化引起的測力誤差的實質(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 )與被測力基本保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系, 由此來減小因彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。將是很好的舉措。對于筒式測力傳感器來說, 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,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)則分布的程度不會很大。因此 ,在未挖空的部位粘貼電阻應(yīng)變片 ,就能使測得的應(yīng)力 (應(yīng)變 )與被測力基本保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系 。

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

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 ,但對彈性體整體性能而言 ,局部削弱彈性體的效果并不影響測試結(jié)果。因為局部削弱彈性體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,就可以測得較高的應(yīng)變水平。

局部應(yīng)力 (應(yīng)變 )集中的方法在測力傳感器的設(shè)計中經(jīng)常被采用, 尤其在梁式測力傳感器 (如彎曲梁式和剪切梁式測力傳感器 )的彈性體設(shè)計中被廣泛應(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)剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感

器是通過檢測梁式彈性體上的剪應(yīng)力 (剪應(yīng)變 )實現(xiàn)測力的 。

 

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, 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)過成型及燒結(jié)的功能陶瓷材料 ,其最大特點是耐熱性 ,在敏感技術(shù)的發(fā)展中具有很大的潛力;同時將半導(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芯片上, 從而使傳感器具有了體積小 、質(zhì)量輕、生產(chǎn)自動化程度高、制造成本低 、穩(wěn)定性和可靠性高 、安裝調(diào)試時間短等優(yōu)點 ;使用電子掃描技術(shù),將多個傳感器單元做在一起, 就可以研究多維空間的問題,如 CT技術(shù)等 ;智能化傳感器還能將數(shù)據(jù)的采集 、存儲 、處理等一體化,從而實現(xiàn)其多功能化 。

 

4　 結(jié)束語

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也不一樣,在使用時應(yīng)根據(jù)不同情況進(jìn)行選型。在測力傳感器的選型和設(shè)計方面 ,如果能自覺地按照上述原則 ,對彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計, 就能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果 。在機(jī)械的自動化應(yīng)用方面有一定的積極意義 。

 

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