章曉明，劉曉東，班 炯，陳靖宇，顧小穩(wěn)

(1.上海航天控制技術(shù)研究所，上海200233;2.同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海201804)

0 引 言

微力傳感器是微傳感器的一種，而微傳感器的體積小、功耗低，便于和信號處理部分集成以構(gòu)成微傳感器測試系統(tǒng)，這些特性使其可以應(yīng)用于汽車、航空航天、電機、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等廣闊領(lǐng)域。微力傳感器是最早開始研制的微機械產(chǎn)品，也是微機械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品，其原理是將力轉(zhuǎn)換成電信號輸出［1］。

目前微力傳感器的量程范圍小且靈敏度低，很難對更加微小的力進行測量［2］。同時在進一步提高靈敏度的過程中，會遇到非線性度隨著靈敏度的提高變差、靈敏度提高、穩(wěn)定性變差等問題［3］。

本文利用電阻應(yīng)變原理，設(shè)計了一種微力傳感器，該傳感器采用柱式結(jié)構(gòu)，靈敏度可達0.057 5 V/N，適用于微力測量，能保持較好的線性度，靜態(tài)特性良好。

1 微力傳感器結(jié)構(gòu)

微力傳感器的工作原理是電阻應(yīng)變片發(fā)生變形時，其電阻值發(fā)生變化，柱式結(jié)構(gòu)對壓應(yīng)變尤為敏感，縱向應(yīng)變測量精度高，此傳感器選用立柱結(jié)構(gòu)［4］，如圖1 所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of sensor

2 彈性元件的有限元分析

微力傳感器的靈敏度和量程直接相關(guān)，需對傳感器結(jié)構(gòu)進行受力分析，用彈性元件的單位應(yīng)變表征傳感器的靈敏度，固有頻率表征量程。

對傳感器的彈性柱體進行靜力分析和模態(tài)分析，主要物理參數(shù)為彈性柱體的形變量和固有頻率［5］。

靜力分析用于計算固定不變的載荷和響應(yīng)作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力，忽略慣性和阻尼效應(yīng)的影響［6］。傳感器承受縱向外力發(fā)生形變，通過靜力分析求解縱向應(yīng)變量，傳感器應(yīng)變云圖如圖2 所示。

圖2 傳感器靜力分析應(yīng)變云圖Fig 2 Strain cloud diagram of static force analysis of sensor

模態(tài)分析用于研究結(jié)構(gòu)的振動特性，即固有頻率和振型。固有頻率表征結(jié)構(gòu)剛度，振型表征結(jié)構(gòu)在某個方向的變形趨勢，傳感器模態(tài)分析的縱向振型云圖如圖3 所示。

圖3 傳感器模態(tài)分析縱向振型云圖Fig 3 Cloud diagram of longitudinal vibration type of modal analysis of sensor

利用ANSYS 進行有限元分析前處理相關(guān)參數(shù)如表1所示，對傳感器進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析的求解結(jié)果如表2所示。

表1 有限元分析前處理相關(guān)參數(shù)Tab 1 Related parameters of finite element analysis pre－processing

表2 有限元靜力分析和模態(tài)分析求解結(jié)果Tab 2 Solution of static and modal analysis of finite element

3 傳感器靜態(tài)特性

測量裝置的靜態(tài)特性是在靜態(tài)測量情況下描述實際測量裝置與理想線性系統(tǒng)的接近程度，通過靜態(tài)標(biāo)定實現(xiàn)［7］。傳感器的靜態(tài)標(biāo)定是基于單一變量原則，利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的標(biāo)準(zhǔn)量，或用基準(zhǔn)量來確定傳感器輸出量和輸入量之間關(guān)系的過程［8］。傳感器的靜態(tài)特性必須在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進行標(biāo)定，傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、重復(fù)性、靈敏度和回程誤差，其中靈敏度和線性度是傳感器最重要的性能特征［9］。

靜態(tài)標(biāo)定所用主要實驗裝置為YD—21 電阻應(yīng)變儀和研華PCI—1711UL 數(shù)據(jù)采集卡。傳感器靜態(tài)標(biāo)定實驗原理圖如圖4 所示。

圖4 傳感器靜態(tài)標(biāo)定實驗原理圖Fig 4 Principle diagram of static calibration experiment of sensor

將砝碼置于傳感器上，應(yīng)變電橋輸出相對應(yīng)的電壓，應(yīng)變儀進行信號調(diào)理，采集卡采集電壓信號，通過串口傳輸至計算機，上位機以LabVIEW 為平臺，實時顯示采樣得到的傳感器信號，并將數(shù)據(jù)存至EXCEL。傳感器靜態(tài)標(biāo)定的指標(biāo)如表3 所示。

表3 傳感器靜態(tài)指標(biāo)標(biāo)定Tab 3 Static calibration of sensor

樣本數(shù)據(jù)表示為X，取容量N=1 000。雖然目前國內(nèi)外傳感器的標(biāo)定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但數(shù)據(jù)處理總體方法和理論依據(jù)是一致的，一般取樣本的算術(shù)平均值作為該整體的均值估計量［10，11］，傳感器加載曲線和卸載曲線分別如圖5所示。

圖5 傳感器靜態(tài)標(biāo)定擬合曲線Fig 5 Fitting curve of static calibration of sensor

利用最小二乘法對加載曲線和卸載曲線線性擬合，得到加載曲線擬合表達式

卸載曲線擬合表達式

采集卡參考電壓為5 V，故傳感器最大電壓輸出量取為5 V，則傳感器靜態(tài)指標(biāo)如表4。

表4 傳感器靜態(tài)指標(biāo)Tab 4 Static indicators of sensor

4 誤差分析

隨機誤差是在重復(fù)測量中按不可預(yù)見的方式變化的測量誤差的分量，其參考值是對同一被測量進行無限多次重復(fù)測量所得的平均值，隨機誤差等于誤差減去系統(tǒng)誤差。測試系統(tǒng)測試實驗中，近似認(rèn)為傳感器靜態(tài)指標(biāo)的隨機誤差服從正態(tài)分布［12］。

利用正態(tài)分布假設(shè)和最大似然估計法，對傳感器靜態(tài)指標(biāo)的隨機誤差進行統(tǒng)計分析。傳感器靜態(tài)指標(biāo)的隨機誤差統(tǒng)計分析參數(shù)如表5 所示。

表5 傳感器靜態(tài)指標(biāo)的隨機誤差統(tǒng)計參數(shù)Tab 5 Random error statistics parameters of static indicators of sensor

5 結(jié) 論

1)設(shè)計了新型微力傳感器的結(jié)構(gòu)，并對其彈性元件進行了有限元靜力分析和模態(tài)分析，傳感器彈性柱體的縱向應(yīng)變量高于一般的力傳感器，靈敏度較高，適用于微力測量;固有頻率遠(yuǎn)高于常見的外部動態(tài)力頻率，幾乎不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

2)對微力傳感器進行了靜態(tài)標(biāo)定，標(biāo)定的靜態(tài)指標(biāo)表明該傳感器加載特性和卸載特性幾近一致，保持了較好的線性度;靜態(tài)特性良好。

3)對傳感器的靜態(tài)指標(biāo)的隨機誤差進行的分析表明:傳感器的隨機誤差離散度小，傳感器靜態(tài)特性穩(wěn)定，抗干擾能力強。

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