時間：2023-03-16 16:26:40
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本文工作中設(shè)計的便攜式電場傳感器標(biāo)定裝置，其基本結(jié)構(gòu)由兩個平行極板構(gòu)成，標(biāo)定裝置的下極板開有圓孔，并采用特殊夾具固定被檢電場傳感器。被檢電場傳感器的動片與標(biāo)定裝置的下極板平齊，使得被檢電場傳感器無需進(jìn)入標(biāo)定裝置的上、下極板之間的空間，即可感應(yīng)到其電場。
2電場傳感器標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計分析
基于有限元的相關(guān)理論，首先對標(biāo)定裝置的機械結(jié)構(gòu)建立模型。黃色部分為標(biāo)定裝置，藍(lán)色部分為電場傳感器。然后，對幾何模型進(jìn)行單元剖分、加載，可求解出標(biāo)定裝置兩極板間的電場分布情況。根據(jù)求得的電場分布情況，可進(jìn)行標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計。在計算求解過程中，改變加載在兩極板間的電壓，使兩極板間形成的電場強度的理論值始終為20kV/m。被標(biāo)定的場磨式電場傳感器外殼直徑8cm，感應(yīng)片直徑6cm，傳感器外殼與標(biāo)定裝置的下極板接觸。
2.1標(biāo)定裝置極板間距和極板直徑對電場的影響研究
在標(biāo)定裝置的設(shè)計上，受限于被檢電場傳感器的尺寸，以及要考慮標(biāo)定裝置的便攜性，把標(biāo)定裝置的極板直徑L固定為16cm。在L固定的條件下，分析兩極板間距H對極板間電場強度的影響，并以此確定極板間距H。依照圖2所建立的模型，取H值分別為1cm,2cm,3cm,4cm和5cm,，。橫坐標(biāo)是電場傳感器感應(yīng)片距離標(biāo)定裝置中心的橫向距離，單位為m；縱坐標(biāo)是感應(yīng)片某一位置處的電場強度，單位是V/m。同時，在感應(yīng)片的敏感范圍（x<0.03m）內(nèi)，電場強度并非恒定值，而是隨著與標(biāo)定裝置中心距離的增加發(fā)生了畸變。圖6為極板間電場強度實際值的畸變情況。理想情況下，在感應(yīng)片的敏感范圍內(nèi)，電場強度應(yīng)保持不變，但由于標(biāo)定裝置中極板邊緣效應(yīng)的存在，使得感應(yīng)片敏感區(qū)域內(nèi)的電場不是一個恒定值，距離電場傳感器的外殼越近，畸變程度越大。定義在感應(yīng)片敏感范圍（x<0.03m）內(nèi)各個位置處電場強度的平均值與理論值之比為電場強度的畸變率，并用該值來衡量電場強度的變化程度?；兟试叫?，說明所產(chǎn)生的電場越接近均勻分布。綜上，在極板直徑固定為16cm時，極板間距為5cm時，電場強度的實際值與理論值最為接近，且在電場傳感器感應(yīng)片感應(yīng)區(qū)域內(nèi)電場的畸變最小。同時，在保證H/L小于0.5的條件下，極板直徑L對實際電場的影響非常小。
2.2傳感器外殼與標(biāo)定裝置的相對位置研究
當(dāng)標(biāo)定裝置與被檢電場傳感器配合不好時，容易使被檢電場傳感器相對于標(biāo)定裝置發(fā)生傾斜。模型中，極板直徑為16cm，極板間距為1cm，傾斜角度為1.5°。標(biāo)定裝置的傾斜，會對被檢電場傳感器感應(yīng)片上方的電場分布造成較大影響。圖9是基于圖8的傾斜模型計算得到的感應(yīng)片上方的電場強度的橫向分布。由于相對傾斜后，模型不再對稱，因此分析了整個感應(yīng)片上方（-3cm~3cm）的電場強度的橫向分布，并將結(jié)果與沒有相對傾斜時的感應(yīng)片上方電場分布作了比較。被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置在相對傾斜角為1.5°時的電場的畸變情況，比沒有相對傾斜時嚴(yán)重。有相對傾斜時，感應(yīng)片上方電場分布更加不均勻，因而被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置間的相對傾斜會對標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在標(biāo)定裝置設(shè)計中，應(yīng)使標(biāo)定裝置與被檢電場傳感器的外殼的直徑盡可能接近（極限情況是外徑與孔徑的差值為零），以使得兩者緊密結(jié)觸，從而保證被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置之間不會發(fā)生相對傾斜。
3便攜式標(biāo)定裝置的優(yōu)化設(shè)計和實驗結(jié)果分析
當(dāng)輸出為-3kV至+3KV的可調(diào)直流電源加在兩極板上時，兩極板間的電場強度理論值的范圍為-60kV/m~+60kV/m。使用在標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定裝置中標(biāo)定好的電場傳感器測量本文工作中所設(shè)計的便攜式標(biāo)定裝置中的實際電場。實測電場強度與所加電源電壓之間有良好的線性關(guān)系，同時，實測電場小于理論電場，兩者的比值約為0.92，這與給出的仿真結(jié)果吻合。在野外的實際標(biāo)定過程中，保持被檢電場傳感器與標(biāo)定裝置的位置不變，使得電場強度理論值與實際值的比值保持不變，在此基礎(chǔ)上，可以通過加在兩極板間的電壓計算出電場強度的理論值，計算出電場強度的實際值。然后，通過電場強度實際值與被檢電場傳感器輸出值兩者間的關(guān)系，計算出被檢電場傳感器的靈敏度，實現(xiàn)對被檢電場傳感器的標(biāo)定。經(jīng)過較長時間的現(xiàn)場使用，所研發(fā)的便攜式標(biāo)定裝置能夠方便、快捷地對場磨式電場傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。目前，該校準(zhǔn)裝置已經(jīng)應(yīng)用于中國電力科學(xué)研究院特高壓直流實驗基地高壓直流輸電線路地面合成電場測量系統(tǒng)中，并已取得了良好的效果。
4結(jié)論
1.彈性元件的虛擬模型根據(jù)導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)，電阻的相對變化與應(yīng)變之間的關(guān)系。為了獲得電橋輸出與載荷的關(guān)系，需要構(gòu)建彈性元件的數(shù)學(xué)模型。電阻式傳感器的彈性元件結(jié)構(gòu)有圓筒式、柱環(huán)式、懸梁式和輪輻式四種基本類型，各種不同的結(jié)構(gòu)型式的彈性元件應(yīng)變ε與載荷F的關(guān)系如下所示。（1）柱筒式彈性元件其中E為彈性模量，A為橫截面積。（2）柱環(huán)式彈性元件其中R0為內(nèi)環(huán)半徑，b為柱環(huán)寬度，h為柱環(huán)厚度，E為彈性模量。（3）懸梁式彈性元件其中l(wèi)為有效長度，b為懸梁寬度，h為懸梁厚度，E為彈性模量。（4）輪輻式彈性元件其中b為輪輻條厚度，h為輪輻條寬度，G為剪切模量。將四種彈性元件類型設(shè)計在一個子VI中，通過操作“彈性元件類型”下拉列表進(jìn)行選擇。
2.虛擬電橋模型電橋是目前常用的電阻式傳感器測量電路，整個電橋電路由四個橋臂組成，當(dāng)橋臂接入應(yīng)變電阻時則成為應(yīng)變電橋。當(dāng)有一個臂被接入應(yīng)變電阻時，被稱為單臂電橋；兩個臂被接入應(yīng)變電阻時則為雙臂電橋（也稱半橋）；四個臂均被接入應(yīng)變電阻時則稱為全橋。在橋路中均未接入應(yīng)變電阻時。
3.電阻屬性和接橋方式設(shè)計前面板（如圖1所示）上電橋部分的電阻屬性分為固定電阻、應(yīng)變電阻和平衡電阻三種，應(yīng)變電阻的貼片方式分為受拉應(yīng)力和受壓應(yīng)力。（1）電阻屬性。圖1中的電阻R1的屬性只有兩種：應(yīng)變電阻和固定電阻。該屬性通過操作“R1”設(shè)置開關(guān)進(jìn)行選擇。若R1為應(yīng)變電阻屬性，其阻值會隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的ΔR1以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR1t。電阻R2的屬性與R1相同。通過操作“R2”設(shè)置開關(guān)可以選擇R2的屬性。若R2作為應(yīng)變電阻，則會隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的ΔR2以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR2t。若操作“差動設(shè)置”開關(guān)，則可使R2的受力方式為受壓應(yīng)力，從而會隨載荷F的增減而產(chǎn)生相應(yīng)的-ΔR2以及因溫度變化產(chǎn)生的ΔR2t。R3，R4需要參與調(diào)平電路的設(shè)計，因此接線也會相對復(fù)雜。通過操作“R3”和“R4”設(shè)置開關(guān)對該電阻進(jìn)行屬性操作。圖中出現(xiàn)的Rr顯示框為調(diào)零電路中的R5的右半部分與R6串聯(lián)然后再與R3并聯(lián)后的阻值。Rl顯示框為R5的左半部分與R6串聯(lián)后再與R4并聯(lián)后的阻值。（2）接橋方式的設(shè)計。虛擬前面板上的電橋工作方式分別為：不工作、單臂工作，半橋工作和全電橋工作方式四大類型。對于半橋和全橋方式，其中應(yīng)變片又分為差動和非差動兩種布片方式。不工作方式指的是R1，R2，R3和R4都設(shè)置成固定電阻。該方式無論怎樣施加外力，輸出始終為零。單臂工作時將R1設(shè)置為應(yīng)變電阻，R2、R3、R4設(shè)置為固定電阻。此時，按“R1”按鈕，“R1”按鈕變綠，圖中應(yīng)變電阻R1如果顯示向上的箭頭，表明該應(yīng)變電阻受拉應(yīng)力，對應(yīng)電阻值增大；如果應(yīng)變電阻R1顯示向下的箭頭，表明該應(yīng)變電阻受壓應(yīng)力，對應(yīng)電阻值減小。半橋非差動工作時，R1、R2設(shè)置為應(yīng)變電阻，R3、R4設(shè)置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1、R2上的箭頭方向一致，表示應(yīng)變片受到相同性質(zhì)的應(yīng)力，此時電橋輸出基本為零。半橋差動工作時，R1、R2設(shè)置為應(yīng)變電阻，R3、R4設(shè)置為固定電阻。按下“R1”、“R2”兩個按鈕，兩者均變綠表示接入工作臂，同時電阻R1顯示向上箭頭，R2顯示向下的箭頭，表示對應(yīng)的應(yīng)變片受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。全橋非差動工作時R1、R2、R3、R4屬性均為應(yīng)變電阻，此時，按下“R1”、“R2”、“R3”、“R4”按鈕，均變?yōu)榫G色。四個電阻上的箭頭方向一致，表明四個電阻受相同性質(zhì)的應(yīng)力，此時電橋輸出基本為零。全橋差動工作時，“R1”、“R3”電阻箭頭向上，表示受拉應(yīng)力；“R2”“R4”箭頭向下，表示受壓應(yīng)力。
4.溫度誤差計算及補償在討論應(yīng)變計的工作特性時通常是以溫度恒定為前提的，但在實際應(yīng)用過程中，工作溫度可能會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致應(yīng)變電阻的阻值發(fā)生變化。設(shè)工作溫度變化為Δt℃，則由此引起粘貼在試件上的應(yīng)變電阻的相對變化為。將公式（11）代入公式（7）-（10），即可以計算出溫度變化時的電橋輸出，該輸出即為溫度誤差。單臂工作時，采用補償塊法進(jìn)行溫度誤差補償，該方法利用兩塊參數(shù)相同的應(yīng)變計R1、R2，R1貼于試件上并接入工作臂，R2貼于與試件材料相同溫度環(huán)境的補償塊上，但該補償塊不參與機械應(yīng)變，同時接入電橋相鄰臂作為補償臂。當(dāng)接通電源并施加負(fù)載時，補償臂產(chǎn)生的熱輸出與工作臂產(chǎn)生的熱輸出相同，則可達(dá)到溫度誤差補償?shù)哪康?。對于半橋差動和全橋差動工作方式，根?jù)公式（10）的和差特性即能進(jìn)行溫度誤差補償。5.非線性誤差計算及補償公式（10）是對公式（9）進(jìn)行線性化后的輸出。對于單臂工作時，非線性誤差可以通過在電路中加入補償臂（該臂不受外加應(yīng)力作用）。對于半橋差動和全橋差動工作方式，不需要外接補償電路，因為差動工作方式具有很好的非線性補償作用。
二、虛擬操作面板的設(shè)計
用LabVIEW軟件開發(fā)虛擬儀器，用戶能“量身定制”儀器的操作面板。本實驗根據(jù)真實的電阻式傳感器實驗電路接線圖作為虛擬儀器的操作面板，能直觀地闡述電阻式傳感器實驗原理及操作方式，虛擬面板如圖1所示，主要包括虛擬彈性元件選擇、應(yīng)變電阻布片方式選擇、電橋接法選擇、電橋調(diào)零模塊、差動放大模塊、直流電源模塊。此外前面板還包括電阻、外力、溫度的賦值等。
三、遠(yuǎn)程虛擬實驗的演示步驟
電阻式傳感器實驗的遠(yuǎn)程操作分別由DataSocket技術(shù)與Web網(wǎng)絡(luò)工具來實現(xiàn)。DataSocket技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的結(jié)合使虛擬儀器的遠(yuǎn)程控制成為可能，可在若干計算機上對傳感器虛擬實驗進(jìn)行操作及數(shù)據(jù)處理。這為傳感器虛擬實驗的互動教學(xué)提升了便捷性。電阻式傳感器虛擬實驗的遠(yuǎn)程操作過程如下：第一步，打開服務(wù)器網(wǎng)頁。第二步，輸入R1、R2、R3、R4的阻值。第三步，選擇彈性元件類型。第四步，設(shè)置接橋和布片方式。第五步，打開電源開關(guān)。第六步，調(diào)節(jié)調(diào)零電位計，直至電橋近似達(dá)到初始平衡狀態(tài)。第七步，點擊“施力F”按鈕。第八步，查看客戶端網(wǎng)頁，查看電橋輸出曲線。第十步，點擊服務(wù)器面板中的“復(fù)位鍵”，使所有選項、開關(guān)及輸入數(shù)據(jù)均清零和初始化。第十一步，關(guān)閉電源開關(guān)。
四、結(jié)束語
1．1氣壓傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計
壓阻效應(yīng)于1865年由LordKelvin首先發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在這個原理廣泛應(yīng)用于傳感器原理中。當(dāng)傳感器薄膜結(jié)構(gòu)上的壓敏電阻受到外界壓力作用時會產(chǎn)生形變，使電阻率發(fā)生變化從而引起電信號的改變，這就是壓阻式壓力傳感器的工作原理。由此可見，壓敏電阻的變化與受到的壓力大小和壓阻系數(shù)有關(guān)。本文中的氣壓傳感器是基于硅的壓阻效應(yīng)設(shè)計的，制備的氣壓傳感器芯片結(jié)構(gòu)截面圖。傳感器結(jié)構(gòu)由一個單晶硅彈性薄膜和集成在膜上的4個壓敏電阻組成，4個電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)有氣壓作用在彈性膜上時電橋會產(chǎn)生一個與所施加壓力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號。
1．2氣壓傳感器制作工藝流程
整個流程主要是采用硅表面微加工工藝。與傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器的加工方法相比，該工藝流程采用了外延單晶硅硅膜的工藝進(jìn)行真空腔密封，這種方法可以克服傳統(tǒng)的濕法刻蝕工藝的缺點，加工出的單晶硅膜具有很好的機械性能。①首先，對硅襯底采用各向異性干法刻蝕，刻蝕出一道道約5μm深的淺槽。然后采用各向同性干法刻蝕，使淺槽下方形成一個連通的腔。②采用外延工藝，在襯底上進(jìn)行單晶硅外延，并利用外延的硅材料將淺槽完全封住，從而在下面形成一個接近真空的密封腔。外延工藝如下:溫度為1135℃，采用的是H2，PH3等氣體，外延時的真空度為80torr。③在對外延硅層的局部區(qū)域進(jìn)行小劑量硼離子注入。該部工藝主要是為了制作壓敏電阻，壓敏電阻主要位于膜四邊的中央。④對局部區(qū)域進(jìn)行大劑量硼離子注入。該步工藝主要是要實現(xiàn)壓敏電阻條之間的歐姆連接，并為壓敏電阻的引出做準(zhǔn)備。⑤在硅片表面生長一層氧化層及氮化層，用作絕緣介質(zhì)層。⑥對氧化層和氮化層光刻并圖形化，形成接觸孔。⑦濺射金屬層并光刻圖形化，形成引線及壓焊塊。
2測試電路設(shè)計
此壓阻式氣壓傳感器，壓敏電阻初始電阻值為163Ω，滿量程輸出電阻變化最大為9Ω，針對此微小阻值變化量，本文中設(shè)計了一款專用接口測試電路。該測試電路主要包括STM32系列單片機及ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和液晶顯示模塊。電路應(yīng)用時將惠斯通電橋輸出節(jié)點與測試電路連接起來，通過硬件和軟件的結(jié)合實現(xiàn)外界氣壓信號的檢測并轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號進(jìn)行輸出，讀數(shù)在LCD顯示屏上進(jìn)行顯示，測試電路板的說明如圖4所示，針對部分重要模塊的電路設(shè)計在下文說明。
2．1電源電路設(shè)計
測試系統(tǒng)中需要用到3．3V和5V兩種電壓(選用的STM32單片機規(guī)定工作電壓為2．0V～3．6V，ADS1247數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊模擬電源部分供電電壓為5V)，根據(jù)測試電路元件的需求，采用國產(chǎn)LM2940－5和LM1117－3．3兩個穩(wěn)壓模塊來進(jìn)行電源供電的設(shè)計。
2．2ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
ADS1247是TI公司推出的一種高性能、高精度的24位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。ADS1247單片集成一個單周期低通數(shù)字濾波器和一個內(nèi)部時鐘、一個精密(ΔΣ)ADC與一個單周期低通數(shù)字濾波器和一個內(nèi)部時鐘。內(nèi)置10mA低漂移電源參考和兩個可編程電流型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。通過程序設(shè)置，在輸出電壓裕度內(nèi)，DACS可為外部提供多種強度的電流，分別為50μA、100μA、250μA、500μA、750μA、1000μA、1500μA。除此之外，ADS1247還具有一個可編程放大器(PGA)，放大倍數(shù)可設(shè)置為1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。
3氣壓傳感器性能測試分析
氣壓傳感器作為一種高空探測的工具，它的性能好壞直接影響到高空探測的準(zhǔn)確性，針對本傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試并從數(shù)據(jù)中對氣壓傳感器的靈敏度、線性度、測試精度進(jìn)行了分析及擬合修正。
4結(jié)束與討論
關(guān)鍵詞：微機電系統(tǒng)（MEMS）微機械陀螺（MMG）檢測
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn)，其中微米/納米技術(shù)就是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項前沿技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來，繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達(dá)到30%。微機械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前，世界各個先進(jìn)工業(yè)國家都十分重視對MMG的研究及開發(fā)，投入了大量人力物力，低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問世，正在向高精度發(fā)展。
1微機械振動陀螺儀的簡要工作原理
陀螺系統(tǒng)組成見圖1，它由敏感元件、驅(qū)動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動器的差動電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅(qū)動力矩的作用，質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動軸Z軸的簡諧角振動。當(dāng)在振動平面內(nèi)沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時，在哥氏力的作用下，檢測質(zhì)量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動。這種振動幅度非常小，可以由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進(jìn)行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號。
在科研及加工過程中，一個重要的內(nèi)容就是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機械慣性傳感器檢測平臺的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理，整個儀器包括兩大部分：驅(qū)動信號發(fā)生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅(qū)動信號發(fā)生部分對待測的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)勸信號，使傳感器處于工作狀態(tài)。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化，經(jīng)過放大、解調(diào)處理后，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機中，分析輸出信號，以確定慣性表的特性。
2微電容檢測技術(shù)
在MMG檢測技術(shù)中，利用電容傳感器敏感試驗質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動角位移，獲取輸入角速率信號。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測量分辨率達(dá)到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對于微機械加速度計和向機械陀螺儀來說，檢測試驗質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。
2.1開關(guān)電容電路
其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及控制開關(guān)的時序，如圖2所示。
在測量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時序控制，不斷重復(fù)，使未知電容總處于動態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電，電流脈沖經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再經(jīng)過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得電容檢測電路的傳遞函數(shù)為：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2單位增益放大器電路
AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開發(fā)的ADXL50（5g的微機械加速度計）采用了單位增益放大電路。
圖3是單位增益放大器的等效電路。圖3中，Cp為分布電容，Cgs為前置級輸入電容，Rgs為輸入電阻。當(dāng)載波頻率在放大器的通頻帶以內(nèi)時，前置級輸入電阻可忽略不計。由圖3可午，前置級有用信號輸出為：
（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs
Rgs∞
Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs
分布電容Cp約為10pF，
輸入電容Cgs約為1～10pF，一般都大于傳感器標(biāo)稱電容C0(1pF左右)。可以看出，它們的存在都極大地降低了電容檢測靈敏度。要提高電路靈敏度，就必須消除Cp、Cgs的影響，通常采用的措施等電位屏蔽。
2.3電荷放大器電路
電荷放大器電路如圖4所示。它采用具有低輸入阻抗的反相輸入運算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標(biāo)準(zhǔn)反饋電容，Rf用來為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應(yīng)選取Rf，使時間常數(shù)RfCf遠(yuǎn)大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便?？梢允褂眯∽柚档碾娮杞M成T型網(wǎng)絡(luò)，替代大阻值電阻。
若運算放大器具有足夠的開環(huán)增益，反相輸入端為很好的虛地，那么，兩輸入端點之間的電位差為零。因此，反相輸入端對地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對電路測量不會造成影響。電荷放大電路相對于單位增益放大電路來說，結(jié)構(gòu)要簡單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的影響轉(zhuǎn)化為對地的分布電容，即進(jìn)行合理的對地屏蔽，就能獲得較好的效果。
盡管在電荷放大電路中，可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對地的分布電容，但是在檢測微小電容變化時，輸出還是有很大的衰。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當(dāng)載波電壓頻率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時，輸出電壓Vout應(yīng)該表示為：
Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
3檢測平臺的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當(dāng)?shù)募钚盘柡?，傳感器的動片即處于振動狀態(tài)，上下極板間的電容發(fā)生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號提取出來，經(jīng)交流放大、解調(diào)后通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量采集到微機中，觀察傳感器的輸出響應(yīng)，為下一步利用軟件方法分析微機械慣性傳感器的時域、頻域特性打下基礎(chǔ)。
3.1激勵信號發(fā)生器
根據(jù)微機械輪式振動陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵信號。激勵信號為正弦波，每兩路相位相反。為了測量陀螺儀的頻率特性，需要不斷改變激勵信號的頻率。目前不同設(shè)計的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵信號也需要在這個范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，陀螺儀的驅(qū)動力矩等于驅(qū)動信號的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負(fù)的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態(tài)。交流相位和直流偏置組合見表1。
表1交流相位和直流偏置組合
直流偏置：++--交流信號：+-+-
一般的RC振蕩電路生成的正弦波頻率靠改變R、C值來調(diào)節(jié)，不能連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)。所以，設(shè)計中采用數(shù)字方法合成模擬波形，其原理見圖6。圖6中8254為軟件可編程計數(shù)器。其包含3個獨立的16位計數(shù)器，計數(shù)最高頻率可達(dá)8MHz，設(shè)計中輸入3MHz的時鐘，將2個計數(shù)器串連使用，這樣可以增加頻率控制范圍。8254產(chǎn)生的方波信號作為后面并行計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入。并行計數(shù)器由2片74LS161組成8位二進(jìn)制循環(huán)計數(shù)器。74LS161計數(shù)到最大值時會自動清零，重新開始計數(shù)，其輸出可作為E2PROM2817A的地址信號（即每個正弦周期內(nèi)采樣點數(shù)為256個）。2817A的數(shù)據(jù)讀取時間為150ns。設(shè)計電路時將它的片選和讀信號均設(shè)為有效，以提高數(shù)據(jù)讀取速度。D/A轉(zhuǎn)換采用DAC-08電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。電路輸出時間85ns，放大器采用高速高精度運放OP-37，同理，D/A轉(zhuǎn)換器的片選和轉(zhuǎn)換開始信號總為有效，其輸出跟隨輸入變化，提高轉(zhuǎn)換速度。實驗結(jié)果表明，此信號發(fā)生器完全可以生成10kHz以內(nèi)可調(diào)頻的正弦波。而且使用可編程計數(shù)器8254，輸出正弦波的頻率可以用軟件方法調(diào)節(jié)。如果想輸出非正弦波形，只要修改E2PROM的數(shù)據(jù)，就可以輸出任意形狀的周期波形。
3.2低通跟蹤濾波器
數(shù)字信號發(fā)生器具有控制靈活的優(yōu)點，但是輸出信號不夠平滑，其中會有臺階波。在對信號要求比較高的場合，還需要進(jìn)行濾波。本設(shè)計中信號的頻率變化范圍很大：幾百赫茲到10千赫茲。為了進(jìn)一步提高信號質(zhì)量，采用AD633模擬乘法器構(gòu)成低通跟蹤濾波器，其原理如圖7。
通帶的截止頻率是由電壓Ec控制的，輸出是OUTPUTA，截止頻率：
fc=Ec/[(20V)πRC]
OUTPUTB處是乘法器的直接輸出端，截止頻率與RC濾波器相同：
f1=1/(2πRC)
這種濾波器結(jié)構(gòu)簡單，沒有開關(guān)電容，噪聲小，一般采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制Ec，控制通帶頻率也比較容易。
3.3交流放大器
微機械慣性傳感器在施加激勵信號后，即處于振動狀態(tài)。傳感器有差動微電容量變化C0+ΔC和C0-
ΔC。采用電荷放大器電路提取出ΔC，此電壓信號仍然很彈，需要進(jìn)一步放大處理，于是采用圖8所示的交流放大器。
交流放大器由4個放大倍數(shù)為-1、-2、-5、-10的運算放大器級聯(lián)組成，進(jìn)一步放大被測信號，同時調(diào)整幅值以便適應(yīng)解調(diào)器的輸入。圖8中的開關(guān)選用ADG211模擬開關(guān)，通過控制模擬開關(guān)的開合，可以任意選擇某級或某幾級放大器參加工作，實現(xiàn)對放大倍數(shù)正負(fù)1、2、5、10、20、50、100的整倍數(shù)調(diào)整。例如，將模擬開關(guān)S0、S2、S8、S13閉合，其他開關(guān)全部打開，交流放大器的總放大器數(shù)即為：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
3.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
使用計算機總線，與外設(shè)之間必須有接口。本系統(tǒng)采用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)緩存。先將信號采樣并存儲其中，然后成組地向主機傳送，從而有效地發(fā)揮了主、從、資源的效率，且設(shè)計也相對簡單。
3.4.1系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)基本組成原理如圖9。主要有雙端口RAM、邏輯控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換器組、計算機接口。機通過接口啟動邏輯控制模塊后，CPU資源向其他請求開放，邏輯控制模塊發(fā)控制信號啟動A/D轉(zhuǎn)換器并進(jìn)行采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入雙端口RAM。當(dāng)RAM中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時，邏輯控制模塊向計算機發(fā)出中斷請求。主機接到請求后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，向邏輯控制模塊發(fā)出命令，決定是否繼續(xù)采樣，并將RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。
3.4.2硬件設(shè)計
本設(shè)計使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）雙端口RAM。其兩個端口都有獨立的控制信號、片選CE、輸出允許OE和讀寫控制R/W。這組控制信號使得兩個端口可以像獨立的存儲器一樣使用。使用這種器件要注意當(dāng)兩個端口訪問同一個單元時，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀出結(jié)果不正確。解決這個問題的方法有兩個：一種是監(jiān)測busy信號輸出，當(dāng)檢測到busy信號有效，就使訪問周期拉長，這是從硬件上解決；另一種方法是軟件上保證兩個端口不同時訪問一個單元，即將雙端口RAM進(jìn)行分塊。本系統(tǒng)采用后者，將busy信號輸出通過上拉電阻接到電源正極。
在系統(tǒng)中，邏輯控制模塊的作用非同小可，是控制采樣、存儲、與計算機接口的核心。本系統(tǒng)為方便對采樣速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在該模塊中采用了MCS-51單片機。這樣可以通過編程設(shè)定采樣速率。
與主機的信息交換包括：
（1）接收主機控制信號，以決定是否開始采樣；
（2）在存儲區(qū)滿后，向主機發(fā)中斷請求。
本系統(tǒng)使用AT89C51的地址總線來選通RAM的存儲單元，對其進(jìn)行寫操作，將采樣結(jié)果存入相應(yīng)的單元。
3.4.3軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件包括主機程序和邏輯控制模塊中89C51程序。軟件的關(guān)鍵是單片機控制A/D轉(zhuǎn)換器和存儲器部分，軟件流程見圖10。
藍(lán)牙技術(shù)為藍(lán)牙特別興趣小組（SIG，SpecialInterestGroup）在1998年提出。它是一種新的短距離無線通信協(xié)議，是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放標(biāo)準(zhǔn)，目的是以無線的方式取代現(xiàn)有的有線接口。其優(yōu)勢在于：具有很強的移植性，可應(yīng)用于多種通信場合；硬件集成應(yīng)用簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，而且易于推廣；藍(lán)牙功耗低，對人體危害??；采用擴頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強，增加了信息傳輸?shù)陌踩?。藍(lán)牙系統(tǒng)支持點對點和一點對多點的通信。在一點對多瞇的連接方式中，多個藍(lán)牙單元共享一條信道，采用同一跳頻序列。各個藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為匹克網(wǎng)（Piconet）。匹克網(wǎng)中藍(lán)牙設(shè)備以主從方式實現(xiàn)通信。由于藍(lán)牙設(shè)備的物理尋址地址為3位，因此在同一時刻，匹克網(wǎng)最多只能激活8位設(shè)備（1主7從）；但不同時刻，多個匹克網(wǎng)可以構(gòu)成一個可重疊的散射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。藍(lán)牙通信的有效半徑和其輸出的功率有關(guān)：當(dāng)輸出功率是2類（2.5mW/4dB）時，通信范圍為15m；如果增加其功率到1類（4mW/20dB）時，就能使通信范圍達(dá)到100m。
2基本標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的傳感器結(jié)構(gòu)模型
基于IEEE1451.5和藍(lán)牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器由STIM、藍(lán)牙模塊和NCAP三部分組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。此方案的實現(xiàn)，相當(dāng)于在IEEE1451.2的結(jié)構(gòu)模型上取代了原有的TII接口。采用無線的藍(lán)牙協(xié)議實現(xiàn)連接，類似于實現(xiàn)了一個無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式。通過在原有的STIM和NCAP中嵌入了藍(lán)牙模塊，構(gòu)成的無線NCAP和無線STIM，以點對多點在藍(lán)牙匹克網(wǎng)以主從方式實現(xiàn)相互通信。
與典型的有線方式相比，上述無線網(wǎng)絡(luò)模型增加了兩個藍(lán)牙模塊。對于藍(lán)牙模塊部分標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙對外接口電路一般使用RS232或USB接口，而TII是一個控制鏈接到它的STIM的串行接口。因此，必須設(shè)計一個類似于TII接口的藍(lán)牙電路，構(gòu)造一個專門的處理器來完成控制STIM和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到藍(lán)牙主控制接口HCI（HostControlInterface）的功能。
3藍(lán)虎無線抄表傳感器的設(shè)計
基于上述無線傳感器結(jié)構(gòu)模型給出的無線抄表傳感器的結(jié)構(gòu)原理，如圖2所示。整個傳感器核心部件是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的前端STIM部分和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的NCAP部分。STIM完成數(shù)據(jù)的采集和處理（濾波、校準(zhǔn)等），NCAP完成傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)對PSTN電話互網(wǎng)連。STIM和NCAP之間用藍(lán)牙無線接口連接。STIM選用8位處理器實現(xiàn)，而NCAP的網(wǎng)絡(luò)接口通過8位的處理器和內(nèi)嵌Modem的形式實現(xiàn)。
（1）NCAP部分硬件設(shè)計
抄表傳感器NCAP硬件部分選用的處理器、藍(lán)牙模塊和內(nèi)置Modem分別是Winbond公司的W78E58處理器、Erricsson公司ROM101008系列藍(lán)牙模塊以及OKI公司的調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B。
圖3
由于系統(tǒng)中藍(lán)牙模塊接口采用的是RS232串口，同時處理器和內(nèi)置Modem的通信接口也要用到RS232串口，因此我們選用W78E58處理器。該處理器具有雙串口。ROK101008系列藍(lán)牙模塊遵從藍(lán)牙1.1規(guī)范，是一個點對多點的通信模塊。該模塊可以同時和在其范圍內(nèi)被連接的7個藍(lán)牙從設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。MSM7512B為OKI公司推出的FSK模式調(diào)制解調(diào)器芯片，通過設(shè)置引腳MOD2和MOD1選擇四種工作模式的一種。MT8888C作為DTMF接收器時，DTMF信號從IN+和IN-輸入，一旦信息被寫入到接收寄存器中，MT8888C將置位狀態(tài)豁口中接收寄存器滿標(biāo)志位和IRQ/CP端電平來通知控制器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；MT8888C作為DTMF發(fā)送器時，數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送寄存器，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換合成DTMF信號從TONE端輸出。本處采用中斷方式檢測DTMF振鈴信號。圖3為藍(lán)牙抄表傳感器NCAP部分的硬件電路原理。
（2）抄表傳感器NCAP部分軟件設(shè)計
抄表傳感器NCAP部分的軟件設(shè)計，主要是在單片機上完成兩部分功能的程序編制：一是初始化藍(lán)牙模塊，使抄表傳感器NCAP部分上主設(shè)備模塊和所有范圍內(nèi)的從設(shè)備模塊建立連接；二是驅(qū)動MSM7512B和MT8888C工作，實現(xiàn)與PSTN的連接。
①藍(lán)牙模塊初始化。參照008藍(lán)牙模塊的工作方式，即通過單片機向藍(lán)牙模塊發(fā)送HCI（HostContr
olerInterface）分組。HCI指令包括指令分組、數(shù)據(jù)分組和事件分組。具體格式為：操作碼+參數(shù)總長+參數(shù)0+……+參數(shù)N。
如下給出主、從設(shè)備間實現(xiàn)ACL數(shù)據(jù)連接的HCI指令（字符對應(yīng)相應(yīng)指令的操作碼，由前10位和后6位兩部分組成，括弧內(nèi)為該指令的參數(shù)）：從設(shè)備上電后實現(xiàn)查詢使能進(jìn)行復(fù)位Write_scan_enable(0x3)。主設(shè)備發(fā)送查詢HCI指令I(lǐng)nquiry(0x9c8b33,8,0)，假定從設(shè)備的地址為0x000000000000,則建立ACI連接的HCI指令為Creat_Connection(0x000000000000,0xcc18,0,0,0,0)。從設(shè)備接收連接請求指令為Accept_connection_request(0x111111111111,0)，假定主設(shè)備的地址為0x111111111111。這樣主從設(shè)備之間即建立了ACL數(shù)據(jù)連接。其中Inquiry對應(yīng)的操作碼為：0x0001,0x01。具體指令參見藍(lán)牙規(guī)范。②初始化MSM7512B和MT8888C。首先使能MSM7512B，選擇模式1。值得注意的是，復(fù)位MT8888C時，必須將上電后延時100ms。具體復(fù)位方式參見MT8888C數(shù)據(jù)手冊。
如下給出單片機的初始化程序及外部中斷0的服務(wù)程序。
/*初始化程序*/
TCON=0x40H;//Timer1使能
TMOD=0x20H;//Timer1為定時器，8位自動重裝TH1到TL1
CKCON=0x30H;//Timer1和Timer2時鐘為1/12CLOCK
SCON=0x50H//串口0模式1，波特率由Timer2決定
IE=0xD1H;//使能中斷（串口1和串口2以及INT0）
SCON1=0x50H;//串口1模式1，波特率由Timer1決定
T2CON=0x34H;//Timer2自動重裝RCAP2L到TL2，RCAP2H到T2H
WDCON=0x02H//Watchdog復(fù)位使能
TL1=0xFDH;TH1=0xFDH;TL2=0xFDH;TH2=0x00H;
RCAP2L=0xFAH;RCAP2H=0x00H;
/*初始值設(shè)置，設(shè)置串口1和串口2的波特率為9600bps*/
Init_008();//初始化藍(lán)牙模塊
Reset_mt8888c();//復(fù)位MT8888C
P1^0=1;P0=0x00H;//使能MSM7512，選擇模式1
/*外部中斷0的服務(wù)程序*/
voidservice_int0()interrupt0
{SendRecord();//傳送監(jiān)測記錄……}
（3）STIM的設(shè)計
大多數(shù)傳大吃一驚器的STIM部分設(shè)計相對簡單，因為電表數(shù)據(jù)采集的功能比較單一。圖4為STIM數(shù)據(jù)采集部分的原理框圖。
硬件設(shè)計時，電表數(shù)據(jù)采集部分和傳統(tǒng)的有線方式一樣，只是硬件上增加了藍(lán)牙模塊作為和上層藍(lán)牙傳感器NCAP的無線接口。數(shù)據(jù)采集部分經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的數(shù)字脈沖接到單片機的計數(shù)器口，實現(xiàn)計數(shù)，然后將必要的電表數(shù)據(jù)量送至藍(lán)牙模塊。單片機遷移家長普通的8031即可，模塊選用的是ROK101008系列。軟件上除了要注單片機上完成數(shù)據(jù)采集的部分程序外，上電時還應(yīng)該初媽嘩藍(lán)牙模塊，使模塊能夠在其有效范圍被搜索連接。數(shù)據(jù)采集部分程序主要是實現(xiàn)對計數(shù)器的計數(shù)，同時轉(zhuǎn)換成電表參量，然后徑藍(lán)牙模塊送到NCAP。
4基于藍(lán)牙抄表傳感器的抄表系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：測力傳感器，應(yīng)力集中，精度，靈敏度
一、概述
對于電阻應(yīng)變片式測力傳感器（以下簡稱“測力傳感器”）來說，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?？梢哉f，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸。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，在測力傳感器的設(shè)計過程中，對彈性體進(jìn)行合理的設(shè)計至關(guān)重要。
彈性體的設(shè)計基本屬于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的范圍，但因測力性能的需要，其結(jié)構(gòu)上與普通的機械零件和構(gòu)件有所不同。一般說來，普通的機械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強度和剛度即可，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，除了需要滿足機械強度和剛度要求以外，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。
由此可見，在彈性體的設(shè)計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；
（2）貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。
為了滿足上述兩項要求，在測力傳感器的彈性體設(shè)計方面，經(jīng)常應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計原則，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。
二、改善應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的“應(yīng)力集中”原則
在機械零件或構(gòu)件的設(shè)計過程中，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，而是通過強度計算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。
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。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。這方面最典型的實例是筒式測力傳感器（見圖1）。
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足夠大，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，通常很少能為測力傳感器提供較大的安裝空間位置，因而筒式測力傳感器彈性體的高度與直徑之比很難做到足夠大，彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）將不均勻分布，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，有些傳感器設(shè)計者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，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，測力誤差減小的程度不夠顯著。
由于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。
對于筒式測力傳感器來說，在承載強度足夠的條件下，如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空（見圖2），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。
作者曾用上述方法對筒式測力傳感器進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)前的普通筒式傳感器測力誤差大于1%F.S.，改進(jìn)后（局部挖空）的筒式傳感器測力誤差為0.1~0.3%F.S.，測力精度明顯提高。
三、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要遠(yuǎn)好于整體減小彈性體尺寸。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，其彈性體的結(jié)構(gòu)如圖3所示（為了便于說明問題，這里僅以一簡支梁式的彈性體為例）。
由材料力學(xué)中有關(guān)梁的應(yīng)力分布知識可知，當(dāng)梁承受橫向（彎曲）載荷時，在梁的中性層處剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）最大。如果要檢測梁上的剪應(yīng)變，應(yīng)該在梁的中性層處貼片。為了提高貼片處的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）水平，可將彈性體兩側(cè)各挖一個盲孔（見圖3的2處），盲孔的中心應(yīng)在中性層處。電阻應(yīng)變片應(yīng)該粘貼在盲孔的底面上，即圖3中工字形斷面（A－A剖面）的腹板上。
對于梁形構(gòu)件來說，其彎曲強度是主要矛盾。在一個梁滿足彎曲強度的情況下，剪切強度一般裕量較大。當(dāng)在中性層附近挖盲孔后，該截面上腹板上的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）明顯提高，然而該截面上的彎曲應(yīng)力提高很小。因此，剪切梁式彈性體應(yīng)用局部應(yīng)力集中方案后，被檢測的剪應(yīng)變大大提高，使該測力傳感器的靈敏度顯著提高，而對整個梁的彎曲強度影響很小，使整個梁保持了良好的強度和剛度。
四、小結(jié)
在測力傳感器的設(shè)計過程中，如能自覺地按照上述兩種應(yīng)力集中的原則，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。靈活、恰當(dāng)?shù)剡\用應(yīng)力集中的原則，對于設(shè)計和生產(chǎn)高性能的測力傳感器具有重要的實用意義。
參考文獻(xiàn)
[1].劉鴻文主編，《材料力學(xué)》，高等教育出版社，1979年
PrinciplesofConcentratingStressintheDesignofLoadCells
Abstract:Thispaperintroducestwoprinciplesofconcentratingstress,whichareusually
usedinthedesignofloadcells.Accordingtotheprinciplestheelasticbodiesofloadcells
1．1傳感器激勵的設(shè)計硅壓阻式壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，可在恒壓或者恒流模式下工作。由于硅壓阻式傳感器很容易受到溫度的影響產(chǎn)生漂移，在恒壓模式下隨著溫度的變化，傳感器本身電阻R的變化會對信號產(chǎn)生影響，因此，選擇恒流源作為傳感器的激勵［6］。傳感器激勵源的穩(wěn)定與噪聲大小直接影響著壓力敏感元件的輸出，因此，在確保低溫漂、低噪聲、驅(qū)動能力強的選型原則下，選擇ADR4525基準(zhǔn)源、AD8506運放構(gòu)建驅(qū)動電路以及反饋電路。圖2所示為傳感器激勵原理框圖。
1．2溫度補償電路的設(shè)計溫度補償電路用于對溫度發(fā)生變化時，敏感元件和構(gòu)成信號調(diào)理電路各主要元器件的輸入輸出特性的補償，溫度補償電路提供兩類誤溫度漂移補償:零點溫度漂移補償與靈敏度溫度漂移補償［7］。理想傳感器的輸出量與輸入量關(guān)系。補償?shù)脑頌閷，k調(diào)整到精確的某個值，最大限度消除溫漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非線性成分。
1．2．1零點溫度漂移補償由溫度引起零點變化而造成輸出變化的元器件中，壓力敏感元件所占比重最大，對零點補償原理如圖3所示，溫度檢測元件的輸出作為補償端與待補償信號做加減運算［8］，最終輸出信號即為零點補償后輸出。該部分設(shè)計中，溫度檢測元件選擇溫度傳感器AD590，AD590封裝下、測量范圍寬、輸出線性，輸出信號噪聲僅為40pA，補償信號不引入更多的噪聲;同時由于溫度傳感器的輸出以電流的形式輸出，因此，需要通過高精密電阻器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號后，與待補償信號做加減運算，電阻器阻值的大小根據(jù)測量的零點漂移大小計算。
1．2．2靈敏度溫度漂移補償隨著溫度的變化傳感器的滿量程輸出也會隨之變化(即增益發(fā)生變化)，從輸出來看，該變化可歸一為壓力敏感元件的靈敏度發(fā)生變化，此時，需對傳感器的增益特性進(jìn)行溫度補償。補償原理如圖4所示，溫度檢測元件檢測到溫度變化后，及時調(diào)整激勵源的基準(zhǔn)［9］，調(diào)整策略與增益溫度特性互補，即增益降低，則增強激勵源的基準(zhǔn)，由激勵源輸出相應(yīng)的恒流;同時可在敏感頭的橋臂上串、并聯(lián)電阻器調(diào)整增益特性。
1．3信號調(diào)理電路的設(shè)計信號調(diào)理電路用于將壓力傳感器輸出的差分信號進(jìn)行放大、濾波，原理圖如圖5所示。壓阻式傳感器輸出的電壓信號大多為mV級，采用儀表放大器AD8553對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大，AD8553為軌到軌輸出，最大失調(diào)電壓僅為20μV，在頻響0．01～10Hz范圍內(nèi)噪聲峰峰值為0．7μV，其中，R應(yīng)大于3．92kΩ;同時由于SM5420輸出的為差分信號，在儀表放大器的輸入端需要添加抗射頻干擾的濾波電路，如圖5所示，若儀表放大器輸入前濾波電路匹配不佳，輸入的某些共模信號將轉(zhuǎn)換為差模信號，因此，通常情況下所選的C2至少比C1或者C3大10倍，用于抑制濾波電路不匹配帶來的雜散差分信號;基準(zhǔn)源ADR4525為儀表放大器提供2．5V的參考電壓，用于調(diào)整信號的零位。儀表放大器的輸出信號需要進(jìn)行濾波處理，這里采用MAX295芯片進(jìn)行濾波，該芯片為8階巴特沃斯濾波器，操作簡單，只需提供輸入時鐘CLK則可任意控制濾波器的截止頻率，輸入時鐘頻率與截止頻率的關(guān)系為50︰1。
1．4數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計該部分電路主要是將補償后的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器AD8330將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，AD8330為16位采樣精度，采樣率最高可達(dá)1MHz;采用已經(jīng)使用成熟的微型處理器C8051F410進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，微控制器通過SPI接口采集到量化后信號，同時通過RS—485總線轉(zhuǎn)USB適配器與計算機進(jìn)行通信。
2傳感器標(biāo)定與測試結(jié)果
壓力傳感器的標(biāo)定主要是對零點和靈敏度的標(biāo)定。將壓力傳感器安裝到壓力腔體內(nèi)，共同放入高低溫試驗箱，打開高低溫試驗室箱并設(shè)置11個間隔均勻的溫度值，在不同的溫度梯度下使用壓力泵對壓力腔體打壓，并記錄壓力傳感器在零位和滿量程時的輸出值，采用最小二乘法對記錄的值進(jìn)行擬合［12］，得到傳感器的零點溫度漂移值和靈敏度溫度漂移值。根據(jù)得到的值調(diào)整補償電路使傳感器的輸出滿足要求。將經(jīng)過補償后的壓力傳感器放入高低溫試驗箱，高低溫試驗室箱內(nèi)溫度設(shè)置為25℃，在量程范圍內(nèi)設(shè)置10個均勻的壓力測試點，將測試結(jié)果記錄到表1中，采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)得到補償后的傳感器靜態(tài)特性。通過Matlab擬合后得到傳感器輸入與輸出的線性關(guān)系式為y=0．020x+2．454，如圖6(a)所示;經(jīng)過計算傳感器的靜態(tài)特性為非線性誤差為0．043%，遲滯為0．062%，重復(fù)性為0．027%，精度為0．085%，如圖6(b)所示，最大誤差位于點0kPa處，偏差為0．00154V，故非線性度小于1．54/(20．29×175)=0．043%，滿足設(shè)計的要求。在測試的過程中，由于一天當(dāng)中大氣壓強的變化測試結(jié)果會受到影響。
3結(jié)束語
