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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。上個世紀(jì)國際一些大公司如波音公司,部分新產(chǎn)品已實(shí)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(shí)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。

1.3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。
 

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(diǎn),在實(shí)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(jì)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。

 

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(shí),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(xiàng)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(shí)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(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(jì)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(shí),在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)際上就是保證在測力傳感器受力時(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,即按照被測構(gòu)件的變化規(guī)律分布。在實(shí)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(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(shí),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(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(jì)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?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(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(shí)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(shí)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(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?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(jì)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(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(shí)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(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(shí)間短等優(yōu)點(diǎn);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(shí)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(diǎn)也不一樣,在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)不同情況進(jìn)行選型。在測力傳感器的選型和設(shè)計(jì)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(jì),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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