一种组合压力传感器的阻尼系数选择研究设计.docx

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一种组合压力传感器的阻尼系数选择研究设计

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本科毕业论文

题目：

一种组合压力传感器的阻尼系数选择研究

摘要

测力传感器是传感器技术中的一个重要分支，它跨计算机、自动控制、机械、电子等多个学科。

目前，越来越多的测力传感器已应用到工业、农业、国防、航空航天、医学等众多领域。

这些应用对测力传感器的测量范围以及测量精度提出了更高的要求。

现有的大量程压力传感器在测量小范围压力时精度不高而小量程的压力传感器精度高却不满足测量范围。

压力传感器是测力传感器的一种，在工程中有广泛的应用，传感器也可以认为是由质量，阻尼，弹簧组成的测量系统。

上述三个参数的合理选择对其动态力测量的品质有着至关重要的影响。

本题目在已有一款组合型压力传感器的基础上，对其中的大量程传感器。

仿真研究该传感器阻尼系数对其动态测量性能的定量关系，选出最优的阻尼参数。

关键词：

压力传感器，组合结构，动量测量，阻尼参数

Abstract

Forcesensorisanimportantbranchinthetechnologicalfieldofthesensor.Itreferstocomputersicence,automation,mechanism,electronicscience.Atpresent,moreandmorevariouskindsofforcesensorareintroducedintomanyapplicationsituation,suchasindustry,agriculture,nationaldefense,aerospace,medicine,etc.Highdemandsonmeasurementrangeandmeasurementaccuracyofforcesensorareputforwardbytheseapplications.Thecan’tobtainedusingthelargerangpressuresensorsinsmallmeasurebound,thesmallrangpressuresensorisbeyondmeasurementrange.Pressuresensorisakindofsensors,Inengineeringiswidelyused,Sensorscanalsoconsideredbyquality,damping,springcompositionofmeasuringsystem,Theabovethreeparametersofthereasonableselectionofthequalityofitsdynamicforcemeasuringthebasisofpressuresensor,Processinwhichalargenumberofsensors

Thesimulationresearchofitsdampingcoefficientofthesensormeasureddynamicperformancequantitativerelationship,Selecttheoptimaldampingparameters.

Keywords：

Pressuresensor，Compositestructures，Momentummeasurement，Dampingparameters。

第一章绪论

1.1传感器介绍

现代社会的科学技术高度发达，人类已进入瞬息万变的信息时代。

在工业生产和科学实验等活动中，人们主要是对信息进行获取、开发、传输和处理，而传感器正处于测试的接口位置，是研究的主要对象，是感知、获取和检测信息的窗口，提供给系统进行决策和处理所必需的原始数据。

一切的科学实验和生产过程，特别是在自动监测和自动控制系统中要获取信息，都要通过传感器转换为容易传输与处理的信号。

传感器特点是对原始参数进行精确可靠的测量，灵敏地感受被测量，把感受到的被测量精确地转换成电信号，使其与其他高精确度的仪表和装置组合起来，达到最佳显示与控制数据的目的[1][2]

传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理，按照一定的工艺和结构研制出来的，因此传感器组成的细节有较大差异。

但是总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成，如图1-1所示。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受或响应出的信息转换成适于传输或测量的电信号的部分。

信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。

辅助电路通常是电源[3]。

图1-1传感器的组成框图

在实际工程应用中，以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的另一种量的测量装置称作是传感器。

它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等，它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电，但主要是电量。

1.2课题的意义

自从人类研制出了第一个传感器以后，传感器就开始显示出了它极大的生命力。

但是进入20世纪90年代以来，由于具有单一测量功能的传感器应用趋向饱和，而许多生活和工程中需要传感器适用于各种测量和检测等，从而促使传感器技术获得较为迅速的发展。

无论是从国际或国内的角度来看，复苏和继续发展传感器产业的一条重要途径就是开发各种测量范围的传感器，提高传感器的性能，扩大其功能和应用领域。

测力传感器用途广泛，它们在工业、农业、国防、航空航天、医学等众多领域都得到了广泛的应用，是传感器家族中极为重要的一个部分[3]。

力是物理及工程科学中的一个重要的物理量之一，在科学实验及工程技术中，由于量程和精度要求的差异，对力的测量元器件也提出了各种各样的要求。

压力传感器是一种测量压力的装置，在工程中有广泛的应用，传感器也可以认为是由质量，阻尼，弹簧组成的测量系统。

上述三个参数的合理选择对其动态力测量的品质有着至关重要的影响。

本题目在已有一款组合型压力传感器的基础上，仿真研究该传感器阻尼系数对其动态测量性能的定量关系，选出最优的阻尼参数.

1.3本课题的研究背景

1.3.1传感器发展概况

传感器技术是当今世界令人瞩目且高速发展的的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。

无论是在日常生活，还是工业生产领域中，每一项技术的革新几乎都离不开传感器。

近百年来，传感器的发展大致经历了以下三个阶段[6]：

（1）传统型；

（2）集成传感器控制器；（3）智能型传感器。

美国二十世纪八十年代早期就宣称世界已经进入传感器时代，日本则把传感器技术和计算机、通信、半导体、激光、超导技术并列为世界六大核心技术，因而就有了支配了传感器技术就能够支配新时代这一说法。

世界上发达国家对开发传感器技术都十分重视。

我国的传感器技术的研究是从20世纪60年代开始的，在“科学技术就是第一生产力”的思想的指导下，各项科学技术取得了迅速的发展，传感器技术和传感器制造业也受到各方面的重视。

改革开放三十年来，我国的传感器技术及其产业取得了很大的进步，主要表现在：

“七五”期间，国家把机敏、力敏、气敏等作为主要研究方向；“九五”和“十五”期间，传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩，敏感元件和传感器成为重点发展的新型特种电子产品；建立传感器技术的国家重点实验室、微米纳米国家重点实验室等研究基地；

2007年传感器业总产量达到二十多亿只，品种规格已有近六千种，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定的应用；我国八十年代末就将传感器列入国家高新技术发展的重点，经过“八五”、“九五”和“十五”的攻关和产业化建设，目前全国已有2000多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用。

但由于经济水平和生产、研发资金等条件的限制，我国传感器技术总体水平还是相对比较落后，规模和应用领域都比较小。

在所有类型传感器中，压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、工作稳定可靠、成本低等优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、压强的测量与控制。

压力传感器已成为各类传感器技术最成熟、性能比最高的一类传感器。

由于单一型传感器应用范围窄，新型传感器的开发和应用则成为现代传感器技术的核心和关键问题，它也将成为21世纪信息产业新的经济增长点之一[7][9]。

1.3.2压力传感器国内外发展状况

从压力传感器的发展来看，大致可分为三个阶段[14]。

第一阶段是探索阶段，将力转换为物理量的探索阶段，如将力转换成电信号等方法的研究。

此间先后出现了机械式、电阻应变式、电感式等的压力传感器，这类测力传感器结构简单、方便；第二阶段是静态力测试研究的阶段，此阶段研究的压力传感器要利用弹性体的变形来获得对力的感应，这就使力敏元件的刚度和灵敏度之间的矛盾成为研究者致力研究的关键；第三阶段动态力的测试与研究阶段，作为这个阶段的代表就是压电式测力传感器。

1945年史密斯发现了硅与锗的压阻效应，依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化成电信号进行测量。

此阶段最小尺寸大约为1cm[4]。

随着微机械加工技术和微电子技术的发展，国际上压力传感器技术方面开展了许多探索性的研究工作，研究中沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料技术和微电子技术，从传统的结构设计转向微机械加工工艺的微结构设计，压力传感器技术取得了长足的发展。

目前国内外常用的力传感器主要有以下几种形式：

（1）应变式

工作原理是应变片贴在弹性元件表面，当弹性元件受到力的作用产生变形时，应变片随之产生变形，从而引起其阻值的变化。

下图中的拉压力传感器就是电阻应变片式传感器，其精度、可靠性高，应用范围广[16]。

图1-2（a）PPM225-LS1拉压力传感器是S型的，其抗侧向力和抗冲击力系性要比图1-2（b）图的PPM226-LS2拉压力传感器好很多，而且S1型的安装方便，互换性也好。

（a）（b）

PPM225-LS1拉压力传感器PPM226-LS2拉压力传感器

图1-2应变式力传感器

（2）压阻式

压阻式测力传感器利用单晶硅材料的压阻效应，在半导体的基片上经扩散电阻而制成的器件。

单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路得到正比于力变化的电信号输出。

压阻式测力传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、应变、流量、真空度）的测量和控制[17]。

其优点是分辨率高、尺寸小、滞后和蠕变小，响应频率高，适合动态测量。

图1-3为一种压阻式力传感器。

图1-3压阻式力传感器

（3）压磁式

压磁式传感器的敏感元件由铁磁材料制成，它把作用力（如弹性应力、残余应力）的变化转换成导磁率的变化，并引起绕于其上的线圈的阻抗或电动势的变化，从而感应出电信号。

压磁式传感器是一种新型传感器，它的优点是输出功率大、信号强、牢固可靠、抗干扰性好、过载能力强。

缺点是测量精度不很高、频响较低[18]。

图1-4为压磁式测力称重传感器。

图1-4压磁式称重传感器

（4）压电式

压电式传感器是利用某些电介质材料在受到外力的作用下产生极化现象而做成的。

具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、重量轻、测量范围广等优点[19][20]。

随着电荷放大器的成功研制与应用，压电传感器逐渐地被应用于机械量的测量之中。

图1-6就是压电式测力传感器。

图1-6压电式测力传感器

目前，工程中应用最为广泛的就是应变式压力传感器，它具有精度高、性能稳定可靠、结构简单、坚固耐用等优点。

但是与其它测力传感器相比，要提高应变式压力传感器的精度比较困难，尤其是在较大量程段和较小量程段，提高测量精度更不容易。

在国外，由于对固态压阻式压力传感器的温度性能处理得较好，可以采用灵敏度高、体积小的固态压阻式压力传感器测量大量程范围和小量程范围。

而在国内，所生产的固态压阻式压力传感器的温度性能往往难以达到要求，对于大量程段和小量程段的高精度测量一般采用应变式压力传感器[21][19]。

1.4传感器的性能指标

在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。

传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。

动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。

主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。

1.5实验测试软件介绍

测试的软件系统是DHDAS信号测试分析系统软件，DHDAS信号测试分析系统软件主要功能：

参数设置模式（设置系统参数，通道参数等），显示模块（光标显示，窗口显示，图形显示），信号分析模块（数据预处理，频谱分析.频响分析，幅值分析，相关分析，索力计算，风洞计算，桩基检测，应变花计算等）。

传感器标定模块（静态标定等）

1.6本课题研究的主要内容

1熟悉组合型压力传感器的工作原理。

2熟练掌握MATLAB软件平台中的动态系统仿真模块。

3建立压力传感器的力学模型（假设一个二阶弹簧-质量-阻尼系统）

4根据测得的动态特性指标计算出在二阶系统假设下的相关参数。

给出传感器的最佳阻尼系数。

第二章压力传感器介绍

2.1应变式力传感器的概述

由弹性元件、电阻应变片等组成的传感器叫做应变式传感器。

应变式传感器能够用来测量力、压力及加速度等量。

而用来测量力的应变式传感器就称为应变式力传感器。

应变式力传感器已经在冶金、电力、交通、生物化学、石化以及国防等部门得到了广泛应用。

应变式压力传感器是利用应变变化进行负荷测量的传感器，主要用于测量动态压力。

目前这种传感器占负荷传感器的95%以上。

与其他类型的传感器相比有以下特点[2][26]：

（1）测量范围广，测力范围已达0.05N~107N；

（2）测量精度高；

（3）使用寿命长，工作性能稳定可靠，输出特性的线性度好；

（4）结构简单、尺寸小、重量轻；

（5）响应频率高，适合测量动态过程；

（6）环境适应能力强，可以在高温、高压、振动核辐射及化学腐蚀很严重的恶劣环境下工作。

2.2电阻应变式传感器工作原理

电阻应变片的工作原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。

用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随其发生相应的变化，同时，应变片电阻也发生相应变化[27]。

这种关系可以用下式表示，即

（2-1）

式中的K0为材料的应变系数，为应变片的应变值。

从式（2-1）中可知，当K0为定值时，只要测得的值，就可以得到相应的值。

然后根据求得应力的大小。

其中E为弹性模量。

在应变式传感器中，经常是将四个应变片成对的横向或者纵向粘贴在弹性元件上，这样应变就可以感受到弹性元件上的压缩和拉伸变形。

将四个应变片接成某种形式的电桥电路，这样就可以从电桥的输出中得出应变量大小，从而根据应变量与外力的关系得出作用在弹性元件上外力F的大小[2]。

2.3应变式测力传感器结构

（1）梁式结构

图2-1示意几种常见的梁式弹性体的结构形式。

国内外不论是拉式结构还是压式结构都基本采用这种梁式弹性体作为敏感元件，梁式弹性元件大部分是悬臂梁式，悬臂梁是一端固定，一端自由的弹性元件[2]。

它的结构简单、加工方便、应变和位移较大。

此结构的传感器量程范围一般集中在2~1000kg，主要应用在称重、电子平台秤中。

其中图2-1（a）中数字部分是应变片贴片区。

（a）（b）

两端固定梁S式梁

constrainedbeambeaminStype

（c）（d）

双连孔式悬臂梁双连扁孔式悬臂梁

cantileverbeamintwo-twoflatpins

图2-1梁式结构

（2）板环式结构

图2-2所示的是板环结构传感器敏感元件部分，国内早期板环弹性体[4]只用于拉式传感器。

近年来，由于工艺成熟，板环结构被用于压式传感器。

板环式拉压力传感器具有抗偏、抗弯、抗扭能力，动态响应能力要比梁式结构好。

图2-2板环式结构

（3）柱式结构

图2-3所示的是柱式传感器的结构。

尽管这种弹性体结构的传感器在不采取线性补偿，非线性误差较大。

结构本身并不具有抗偏、抗扭的能力，但这种传感器有很高的抗冲击能力，而且这种柱式结构在国内来说，工艺成熟、加工方便、重复误差、滞后误差小等优点[28][29]。

图2-3（a）所示的是柱式弹性体结构的应变分布示意图。

图2-3（c）所示为香港产的AUTO-CFBHZ-B系列的柱式称重传感器。

（a）（b）（c）

图2-3柱式传感器结构图

（4）轮辐式

图2-4是轮辐式弹性体结构。

轮辐式力传感器与传统的拉压式传感器相比,具有精度高、滞后小、重复性好、抗偏心载荷能力强、结构高度最小、重量轻等优点,因此这种传感器在大、中量程测量方面有着广泛的应用，并具有良好的市场前景。

在大量程时，常因支撑的刚度不够而造成较大的滞后误差，加上加工工艺较为复杂，多用于电子汽车秤，料斗秤等[30][31]。

图2-4轮辐式弹性体结构图

（5）复合弹性体结构

随着加工工艺的日益成熟，弹性体的结构也越来越多样化。

（a）（b）

双量程测力传感器结构示意图[32]三量程测力传感器结构示意图[32]

（c）

双量程测力传感器结构示意图[33]

图2-5

2.4传感器的测量电路

传感器的测量电路就是将电阻应变片的变化转为电压的输出。

因为惠斯登电桥电路具有可抑制温漂的影响和抑制干扰等优点，被各种应变式传感器所应用。

电桥电路根据电桥工作臂的不同组合可分为半桥单臂、半桥双臂和全桥三种工作方式。

全桥臂由于各臂的参数一致，干扰影响相互抵消，与其他两种臂比较，具有灵敏度高、受干扰小。

MCL拉压力传感器所采用的是全桥工作方式。

图2-6传感器测量电路图

MCL拉压力传感器采用弹性体作为敏感元件，高精度电阻应变片作为转换元件，将应变片粘帖在被测弹性体上。

应变电阻的变化是通过四臂电桥转化为电压的变化。

根据电桥工作原理[25]，将粘帖在应变梁上的四个应变片电阻连接桥路如图2-10所示，虚线的部分为传感器本体，内部连线已接好。

3，4端接供桥电压，1,2端为输出。

在测量应力的时候，当试件受力变形时，电桥失去平衡，从输出端获得一个与外力成正比的电压信号。

第三章MATLAB简介

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

图3-1

matlab开发工作界面

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

本次主要运用的是MATLAB直接调入根据DHDAS信号测试分析系统软件得到的振动时间和频域图像的数据，然后调用几个函数得到幅频和相位图然后计算出每个图像的传感器刚度系数，阻尼，质量等信息，然后进一步得出弹簧-质量-阻尼模型，得到二阶二自由度的振动传递函数最后运用MATLAB仿真图像软件仿真得到时间频域图像，看是否与实验得到的图像一致，并根据相关理论调整阻尼的大小来改变传感器的动态特性，提出改进措施。

第四章实验过程及结果处理

4.1实验器材：

小球，圆筒，PPM225-LS1拉压力传感器，DHDAS信号测试分析系统。

如下图

实验器材图4-1

4.2实验说明

本次动态测试实验采用的是50N的PPM225-LS1型的拉压力传感器，如下图

拉压力传感器图4-2

50N的PPM225-LS1型的拉压力传感器主要技术指标：

输出:

1.5mVV或0～5V,1～5V,0～10mA,4～20mA

非线性:

0.03～0.1%F·S

滞后:

0.03～0.1%F·S

不重复性:

0.03～0.1%F·S

温漂:

0.003～0.01%F·S℃

零位输出:

≤2%F·S

激励电压:

10V或12V,15V,24V（DC）

工作温度:

-20～80℃

过载能力:

150%F·S 

根据传感器形状可以看出能把此系统等价为如下振动系统，

二阶振动系统图4-3

4.3实验过程及结果分析

连接好pc机和PPM225-LS1拉压力传感器，和DHDAS信号测试分析系统，然后用小球在固定高度分别为10cm，15cm，20cm，由圆筒内做自由落体运动冲击传感器，由DHDAS信号测试分析系统得到时间频域图像。

然后通过码头喇叭软件的动态系统仿真模块进行傅里叶变换，得到振动的振幅和相位。

本次实验共做了三组，小球高度分别为10cm，15cm，20cm，每组用相同的激励力冲击组合型传感器，每组做五次实验，得到的时间频域图像，横坐标为时间（ms），纵坐标为长度（μm），图像为：

第一组第一次：

时间频域图图4-4

用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图，幅频图横坐标为时间（ms），纵坐标为频率（kHZ），相位图横坐标为mss,总坐标为频率（HZ），图像分别为：

幅频图图4-5

相位图图4-6

根据理论

（4-1）

——机械系统的谐振角频率

（4-2）

是系统阻尼的量度。

通称为系统的品质因数，值越大，阻尼越小。

对于一个完全无阻尼的系统，而对于一个临界阻尼系统，。

实际上，的近似值是由测量响应曲线在半功率点的宽度来得到的，半功率点是曲线上：

处得点。

如果宽度是，则：

（4-3）

响应和激励之间的相位滞后关系给出如下：

（4-4）

[M]+[C]+[K]X=F（t）X=X=[][X]（4-5）

[M][]q+[C][]q+[K][]Xq=F（t）（4-6）

[][M][]q+[][C][]q+[][K][]Xq=[]F（t）（4-7）

=[M]qq+[C]qq+[K]qXq其中，[M]q=[][M][]，[K]q=[][K][]。

（4-8）

Mq+Cq+KXq=[]F（t）（4-9）

Mq+Cq+KXq=[]F（t）（4-10）

[M]=[]=[]

式中