高勝南 邢曉紅 李衛(wèi)麗 竇小麗 范卜榕

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，中國·江蘇 南京 211100

1 引言

由于測試技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)量測量技術(shù)逐步成熟，力學(xué)量靜態(tài)測量已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測試要求，因此要重視動態(tài)載荷的測量問題。為了使傳感器能夠準(zhǔn)確測量動態(tài)載荷，這就要求傳感器在測量動態(tài)信號時，能夠準(zhǔn)確地測量出信號的大小并且真實地再現(xiàn)信號的變化，所以要對傳感器進行動態(tài)標(biāo)定。

顧寶棟等人[1]用區(qū)間算法分析了標(biāo)定系統(tǒng)的精度，推導(dǎo)出了標(biāo)定精度的具體表達式，研究了系統(tǒng)附加質(zhì)量隨頻率變化的特性。奧祺[2]詳細介紹了一種傳感器的動態(tài)標(biāo)定裝置，當(dāng)傳感器在動態(tài)加載的情況下，對力傳感器進行標(biāo)定。Yusaku Fujii[3]描述了在不同力的作用下，測量傳感器的動態(tài)響應(yīng)的三種方法。Rolf Kumme 使用比較法對力傳感器進行標(biāo)定，即使用一種標(biāo)準(zhǔn)的力測量傳感器對力測量裝置進行了動態(tài)標(biāo)定的方法。D.J.Mee[4]分析了對力天平標(biāo)定的不同的技術(shù)，使用持續(xù)時間短的超聲速儀器。J.P.Damion 不僅敘述了確定壓力傳感器的傳遞函數(shù)的不同方法，還詳細介紹了對壓力傳感器進行動態(tài)校準(zhǔn)時所使用的各種設(shè)備。A.Fisher、S.Watkins and J.Watmuff[5]運用一種便攜式標(biāo)定系統(tǒng)校準(zhǔn)壓力測量系統(tǒng)，不僅快速而且準(zhǔn)確。David J.Mee 介紹了校準(zhǔn)應(yīng)力波力天平的各種技術(shù)方法。

論文設(shè)計了一種基于單一切型壓電石英晶片的二維力傳感器，不僅對傳感器的測量原理進行了分析，還對傳感器進行了動態(tài)標(biāo)定，并研究了傳感器的動態(tài)跟隨特性。

2 測量原理

首先分析晶組受到的彎矩，如圖1所示。在力矩的作用下，晶組所受的分布力呈線性變化。其中，M 為晶組所受力矩，R 和r 分別為晶組的外圓和內(nèi)圓半徑，q 為晶組的均布載荷，F(xiàn)1和F2分別為晶組左右兩側(cè)的集成力，l1和l2分別為集成力F1和F2到晶組中心O 的距離。

圖1 石英晶組彎矩圖

根據(jù)彎矩圖可列彎矩方程表達式，如下式所示：

解方程得：

所以，壓電石英晶組左側(cè)所受的集成力F1可以計算得到：

同理，可以求出壓電石英晶組右側(cè)的集成力F2。所以，根據(jù)如下表達式可以求出作用在壓電石英晶組上的力矩M：

其中，l1，l2可以由標(biāo)定實驗確定。從上式也可以看出，輸入的力矩與傳感器電壓輸出成線性關(guān)系。

3 傳感器結(jié)構(gòu)

根據(jù)傳感器的測量原理，論文使用兩片相同的單一切型的x0 切型壓電石英晶片制成壓電石英晶組。壓電石英晶片在同時受到力和力矩作用時，石英晶體上下兩部分的電勢為非對稱分布，論文設(shè)計的壓電石英晶組具有兩片電極，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是可以測量二維力。相比于單電極，可以降低電極間的干擾，保證了電荷損失最小。在論文提出的傳感器中使用的壓電石英晶體的厚度為1mm，外圓直徑為9mm。石英晶組的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓電石英晶組結(jié)構(gòu)圖

4 傳感器的動態(tài)性能

根據(jù)傳感器的標(biāo)定原理及方法，搭建了如圖3所示的傳感器動態(tài)標(biāo)定實驗系統(tǒng)。本實驗是在傳感器受到動態(tài)載荷時，對力傳感器進行動態(tài)標(biāo)定。標(biāo)定系統(tǒng)由動態(tài)載荷輸入部分與數(shù)據(jù)采集兩部分組成。標(biāo)定過程中的動態(tài)載荷由激振器產(chǎn)生，激振器的輸入信號是根據(jù)在matlab 中的simulink 模塊中編輯的算法編譯成軟件controldesk 能夠識別的程序控制實時控制器輸出的。通過編輯算法可以實現(xiàn)力的動態(tài)連續(xù)加載，并且能夠控制力的大小和變化頻率。本實驗中是通過增大輸入信號的頻率來調(diào)節(jié)激振器的輸出振幅，以實現(xiàn)動態(tài)力的加載。實時控制系統(tǒng)具有實時輸出信號與采集數(shù)據(jù)的功能，并能同步顯示采集的信號的圖形。傳感器的輸出端首先與電荷放大器相連，對輸出信號進行放大，然后連接到實時控制器的數(shù)據(jù)采集端口。因為本實驗的目是研究在動態(tài)載荷輸入發(fā)生變化時傳感器輸出的變化，所以可以通過使用激光位移測量系統(tǒng)測量連接在傳感器之上的質(zhì)量塊的振動位移的變化來表征傳感器所受動態(tài)載荷的變化。

圖3 傳感器動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)

4.1 動態(tài)力矩標(biāo)定實驗

論文設(shè)計的動態(tài)力矩標(biāo)定實驗的目的是確定傳感器在受隨時間連續(xù)變化的力矩的作用下傳感器的輸出的線性度。傳感器上的質(zhì)量塊的振動位移變化量為傳感器的輸入信號，輸出的電壓值傳感器的輸入信號。如圖4所示，橫坐標(biāo)表示的是傳感器輸入的位移量，也就是作用在傳感器上的力矩，縱坐標(biāo)表示的是傳感器輸出的電壓值，共測量7 組數(shù)據(jù)，在圖中用圓點標(biāo)出，連接各點得到實際關(guān)系曲線，并應(yīng)用二乘法得到擬合的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，傳感器的輸出與輸入線性關(guān)系良好。

圖4 傳感器動態(tài)力矩輸入與電壓輸出關(guān)系曲線

4.2 動態(tài)跟隨性實驗

設(shè)計動態(tài)跟隨性實驗是為了測試傳感器的動態(tài)特性。輸入的力值隨時間呈正弦函數(shù)變化，測量傳感器輸出的電壓值。將傳感器的輸入力值信號與輸出電壓信號放在同一圖中進行比較，放大部分信號如圖5所示。下半部散點是傳感器輸入的力信號，上半部散點是傳感器輸出的電壓信號。從圖中可以看出輸出與輸入是同步的，由此得出傳感器具有良好的動態(tài)跟隨性。

圖5 傳感器輸出電壓與輸入力的比較放大圖

5 結(jié)語

論文根據(jù)材料力學(xué)分析了壓電式二維力傳感器的測量原理，提出了以單一切型壓電石英晶片為敏感元件且具有雙電極特殊結(jié)構(gòu)的壓電式二維力傳感器。設(shè)計并搭建了包括實時控制系統(tǒng)，電荷放大器及上位機等儀器的動態(tài)標(biāo)定實驗系統(tǒng)。設(shè)計并完成了動態(tài)標(biāo)定及動態(tài)跟隨性實驗。根據(jù)動態(tài)標(biāo)定實驗得到的數(shù)據(jù)，得出傳感器不僅具有良好的線性度，而且具有良好的動態(tài)跟隨性。論文設(shè)計的動態(tài)標(biāo)定實驗方法為力傳感器的動態(tài)標(biāo)定技術(shù)提供了新的思路。