（机械电子工程专业论文）基于汽车活塞检测的应变片式微位移传感器系统研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的迅猛发展，汽车需求量的日益增加，对汽车质量、性能和生产 率的要求也在不断地提高。而汽车发动机活塞的质量直接关系到汽车的热效率、 机械效率、能源消耗和运行可靠性。因此，活塞产品的出厂检测尤为重要。 本课题研究的就是汽车活塞检测装置中的微位移传感器，其中最关键的测量技 术采用的是应变片。通过查阅大量资料，对其性能进行了全面的剖析，设计制作 了适应于汽车活塞检测的应变片式微位移传感器。 通过大量的理论计算和实验研究，确立了传感器的结构、应变片的形式和型 号，最终找出了比较合理的结构。并且应用i n a l 2 8 制作了信号放大电路并进行了 电压调整，最后使用m a x l 9 7 电压转换芯片对放大后的电压信号进行a o 转换，将 转换后的数据传递给单片机进行处理。 由于该传感器的工作环境比较恶劣，因此对所设计制作的传感器及其检测系统 进行了干扰性、稳定性、重复性等方面的实验研究。实验结果表明：该传感器具 有抗干扰性强、稳定性好、精度高和分辨率高且造价低廉等优点，完全能够满足 汽车活塞检测的要求。 关键词：活塞检测；应变片；位移传感器 沈阳理i t 硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i n c r e a s i n gt h e d e m a n df o ra u t o m o b i l e s ，a u t o m o b i l e q u a l i t y , p e r f o r m a n c e a n d p r o d u c t i v i t y r e q u i r e m e n t sa rec o n s t a n t l yi m p r o v i n g a n dt h eq u a l i t yo fa u t o m o b i l ee n g i n ep i s t o n d i r e c t l yr e l a t e st ot h et h e r m a le f f i c i e n c ym e c h a n i c a le f f i c i e n c y , e n e r g yc o n s u m p t i o na n d o p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t yo fa u t o m o b i l e s t h e r e f o r e ，t h ed e t e c t i o nf a c t o r yo fp i s t o n p r o d u c t si sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sr e s e a r c hi st h em i c r o - d i s p l a c e m e n ts e n s o ri nt h ed e v i c eo fv e h i c l ep i s t o nf o r d e t e c t i n g o n eo ft h em o s tc r u c i a lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eb a s e so ns t r a i ng a u g e t h r o u g ha c c e s s i n gt oal a r g en u m b e ro fi n f o r m a t i o n , c o n d u c t i n gac o m p r e h e n s i v e a n a l y s i so fi t sp e r f o r m a n c e ，ih a v ed e s i g n e dt h es t r a i ng a g e sd e c l i n ed i s p l a c e m e n t s e n s o rw h i c hw a sa d a p t e dt ot h ed e t e c t i o no fa u t o m o t i v ep i s t o n t h r o u g hag r e a td e a lo ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，ih a v e e s t a b l i s h e dt h es t r u c t u r eo ft h es e n s o r s ，t h ef o r ma n dt h em o d e lo fs t r a i n g a g e s ， u l t i m a t e l y , if o u n das t r u c t u r ew h i c hw a sm o r er a t i o n a l b ya p p l i c a t i o ni n a l 2 8i p r o d u c e das i g n a la m p l i f i c a t i o nc i r c u i ta n dd i dt h ev o l t a g ea d j u s t m e n t ，f i n a l l y , iu s e d m a x l9 7v o l t a g ec o n v e r t e r c h i p t ob ea dc o n v e r t e ro ft h e a m p l i f i e ds i g n a l ， t r a n s m i t t i n gt h ec o n v e r t e dd a t at o t h em c u f o rp r o c e s s i n g t h ew o r ke n v i r o n m e n to ft h es e n s o ri sr e l a t i v e l yp o o r , s oid i ds o m ee x p e r i m e n t a l s t u d i e so nt h ed e s i g no ft h es e n s o ra n di t sd e t e c t i o ns y s t e ma b o u td i s r u p t i v e ，s t a b i l i t y , r e p e a t a b i l i t ya n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h es e n s o rh a sa d v a n t a g e s o fs t r o n ga n t i - ja m m i n g ，g o o ds t a b i l i t y , h i g ha c c u r a c y , h i g hr e s o l u t i o na n dl o wc o s ta n d s oo n ，f u l l yb e i n ga b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fa u t o m o t i v ep i s t o n k e yw o r d s ：p i s t o nf o rd e t e c t i n g ；s t r a i ng a u g e ；s e n s o r 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：玉砜 e l 期 ：硼年3 月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：三立胡 日 期：砌、3 i 了 指导教师签名：专闷辟 e t 期：乡矿扩r 孑 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题提出背景及意义 近年来，随着科技的迅速发展，人们生活水平的不断提高，汽车已经越来越多 地走进了人们的生活，成为人们的代步工具。在汽车的需求垦逐年增长的同时， 汽车的质量和性能也在不断的提高。我们知道，汽车的关键部位是发动机而活 塞( 如图1 1 所示) 又是发动机的“心脏”，它是在高温、高压、高速、润滑不 良的条件下工作的。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2 5 0 0 k 以 ，受热 严重而散热条件差，所以活塞工作时温度很高，顶部温度高达6 0 0 7 0 0 k ，且分却 很不均匀：活塞项 ；( ：承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，汽油机高达3 5 m p a ，柴油机高达6 g m p a ，这就对活塞产生了侧压力之外的冲击：活塞在气缸内 以报高的速度( 8 1 2 m s ) 往复运动，且速度是不断变化的，这就产牛了很大的惯 性力使活塞受到很大的附加载荷。它直接与高温高压燃气相接触，承受着较高的 热负荷和机械负荷，而且义在润滑极差的缸套内进行高速往复运动。因此，活塞质 齄的好坏直接影响着内燃机的热效率、机械效率、能源消耗和运行可靠性。 圈11 活塞 随着汽车整4 t 对发动机的动力性、经济性、环保悱及。r 靠性的要求越来越严 沈m 【理1 人 硕 位论文 格，活塞已发展成为集轻质岛强度新材料、异型外圆复合j 弘面、异型销孔等多项 新技术于一体的高技术含量的产品，以保证活塞的耐热性、耐磨性、甲稳的导向 性和良好的密封功能，减少发动机的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放。在生 产中，为了满足以上的功能要求，通常将活塞的外圆设计成异型外圆( 中 变椭 网) ，即垂直于活塞轴线的横剖而为椭圆或修- 椭圆，且椭圆度沿轴线方向按一定 的规律变化，精度选00 0 5 r a r n 。两裙部之词的距离大，活塞销方向距离小，这是因 为热机时活塞销方向的距离比裙部的温度高，发动机上作时，随着温度的升，苗， 活塞销方位也逐渐膨胀，到达稳定后，活塞由于各方位的不均匀膨胀，才成为理 论上的圆形，这样密封性会更好。因此，制作出高精度的活塞足很重要的，当然， 这离不，f 有效的检测，检测是其中非常关键的步骤，检测系统的优劣、精度的高 低、检测是否方便灵活、是否满足现代化生产的要求这些因素部直接关系到活塞 出厂的质量和生产效率“。 1 2 国内外的发展状况 由于活塞形状的特殊件，使得活塞的检测很复杂。m 1 。目前，常用的辛要检测方 法有两种：一种是手丁检测法；另一种是滔塞自动测量机检测法“1 。手丁检测法应 用较普遍；活塞自动测量机检测法为引进的国外技术，只有少数的大巾型活塞生 产企q k 使用。 1 、手工检测法 于工检删方法卡要是使用干分尺来测量，如图12 所示，使用千分尺将需要测 墙的部分逐一进行测量。这种方法主观因素太劳动强度高费时费力，榆测教 率和检测精度都不能满足生产需要，凼此难以保| 正活索质苗。 2 、自动测量机枪测池 图12 手检4 方法 第1 章绪论 上海交通大学研制的活塞外圆的非接触式在线检测技术，采用日本k e y e n c e 公司生产的l c 2 2 4 0 0 型超精密激光测位仪，用一台通过r s 2 3 2 串行口与其相连的 计算机进行数据处理，把测头安装在刀架上进行测量。测量仪利用激光干涉原理， 如图1 3 所示，激光器1 发出的已稳频的双纵模激光是偏振面相互垂直的线偏振光， 分光器2 将光束分为参考光束和干涉光束，其中参考光束通过与偏振方向成4 5 。 角放置的偏振片( p 1 4 5 。) 以后，汇聚到雪崩管3 转化为电信号，作为参考信号；干 涉光束由平面镜5 反射，再由方解石晶体6 分为两束光，0 极光通过方解石晶体的中 轴线聚焦于物镜9 的后焦面，然后变为平行光束，它是干涉轮廓仪的参考臂，e 极光 偏向方解石晶体的左边，最后聚焦在试件表面成为测量光斑。相位计1 2 接收来自 光电元件4 的测量信号和光电元件3 的参考信号，通过比相的方法，可以测出被测 表面的高度变化。 1 激光器2 分光计3 ，4 雪崩管5 ，1 0 平面镜 6 ，7 方解石晶体8 反射镜9 ，1 1 物镜1 2 相位计 图1 3 激光干涉原理 把探头放置在活塞轴心o 附近某一位置( 如图1 4 所示) ，活塞旋转一周后，将 传感器输出的数值进行处理，即可检测出活塞的长轴与短轴。一该方法是非接触性 的方法，对工件没有损伤，同时精度高，因此是比较好的检测方法，但是该装置 结构复杂，成本很高，这在一定程度上限制着它的普及。 沈阳理工大学硕士学位论文 d 测量头 一 图1 4自动测量机检测法 上述两种方法均不能满足国内某些中小企业的生产要求，为此，本课题拟设计 研究一种新型的位移传感器检测法。 1 3 课题的主要研究内容 目前，由于活塞自动检测装置价格昂贵，因此大部分的活塞生产厂家仍然使用 手工检测的方法，这种方法制约着活塞的生产效率和出厂质量，如果能够研制出 一种价格低廉，而且精度又很高的检测装置，则能大大地改善目前这个状况。 本课题的目的是研制出一种价格低廉的微位移传感器，然后基于该传感器制作 出一套低成本、高精度的活塞直径检测装置。 按照我国的国家标准( g b 7 6 6 5 q 7 ) ，传感器的定义是：“能够感受规定的被 测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。其含义是：传感器是一 种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理 量的测量装置【7 1 。 这一定义包含了以下几方面：传感器是测量装置，能完成检测任务；它 的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量，生物量等；这种量 要便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电等物理量，但主要是电 物理量：输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图见 图1 5 第1 章绪论 皮测量 敏感转换基本转 睁 元件元件换元件 图1 5 传感器组成图 敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量 的元件。 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。 基本转换电路：将上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。 传感器只完成被检测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、 运算、处理等迸一步转换，以获得被测值或进行过程控制口3 。 本论文主要研究的内容是： l 、设计制作新型的应变片式微位移传感器； 2 、设计制作传感器放大、采集及处理电路系统； 3 、对应变片式微位移传感器及数据采集系统进行实验研究，包括： a 动态特性及抗干扰性实验：将传感器放在交变磁场的恶劣环境下进行位 移测量，观察输出的数据是否受到干扰； b 稳定性实验：在同样的位移，不同的时间、温度下测量，观察传感器的 稳定性； c 分辨率实验：给传感器不同的位移，观察计算出该传感器的最小分辨率。 d 重复性实验：将传感器重复测量同样的位移，观察传感器的重复性； 4 、实验结果分析。 通过上述实验，得出传感器的综合指标，分析并检验该指标是否满足课题 的最终设计的目标。 1 4 课题的来源 本课题来源于沈阳贝特数控机械有限公司，该公司欲研制一种价格低廉的活塞 检测装置，本课题解决的正是该装置中的微位移传感器部分的问题。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章基于位移传感器的活塞检测方法研究 第一章中我们曾介绍过活塞的外圆设计成异型外圆( 中凸变椭圆) ，即垂直于 活塞轴线的横剖面为椭圆或修正椭圆，并且轴线方向中间凸出，如图2 1 所示( 由 于椭圆度和中凸部分尺寸都很小，示意图是将外形用夸张的方法画出来，实际上 用肉眼根本看不出) ，鉴于活塞形状的复杂，在检测时，需要检测活塞多处位置的 尺寸，从而使检测变得非常繁琐。 a 卜 牟a a 向 图2 1 活塞外形不意图 2 1 活塞检测装置原理 沈阳贝特数控机械有限公司是一家专门从事数控机床生产活塞的公司。该公 司在活塞检测中正针对现有检测系统和检测方法存在的弊端采用了一种新的活塞 检测装置，该装置的工作原理如图2 2 所示。 根据该公司生产经验积累，在实际检测过程中，只需测量活塞四个关键直径 的尺寸就可确认该活塞是否满足精度要求。为此我们找出四个关键部位，如图2 2 所示的：l a 、1 b 、2 a 、2 b 、3 a 、3 b 、4 a 、4 b 。 第2 章基于位移传感器的活塞检测方法分析 1 位移传感器2 活塞3 传送轨道 图2 2 活塞检测装置 该装置由八个位移传感器组成，如图2 3 所示，分成a 、b 两组，a 组的四个 传感器分别与b 组的四个传感器一一对应，例如l a 与1 b 相对应，两个触头被放 置在同一轴线上，标准活塞从中通过时，传感器1 a 、1 b 分别被压缩，即1 a 与1 b 分别测量出被活塞挤压的位移a l 、b 1 。当检测加工完毕的活塞工件时，用上述方法 将活塞从该装置中通过，如果此时l a 与l b 输出的位移值是：口71 、b 1 ，则该活塞 在a 处的直径误差为：a _ ( g l + b 1 ) 一( a l + b 1 ) ，如果a 值在活塞允许的误差5 u n 的 范围内，则该活塞合格，相反则不合格，可以根据测量的尺寸再加工。 a 组 b 组 2 a 3 a 4 a 图2 3 活塞直径检测原理 1 b 2 b 3 b 4 b 沈阳理工大学硕士学位论文 2 2 活塞检测装置中的位移传感器 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要使用各种传感器来监视和控制 生产过程中的各个参数，使设备在正常状态或最佳状态工作，并使产品达到最优 的质量。因此可以说，没有众多优良的传感器，现代生产也就失去了基础。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，已经 渗透到了许多新领域，例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察 小到1 0 - 1 3 c m 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化、短到1 0 - 2 4 s 的 瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作 用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超 弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法获取的信息，没有相适应的传感器 是不可能的。许多基础学科研究的障碍，首先就在于对象信息的获取难，而一些 新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会带来该领域内的新突破。一些传 感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调 整、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域，可以毫不夸张地 说，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化 项目，都离不开各种各样的传感器。本课题研究的就是其中的一种位移传感器。 沈阳贝特数控机械有限公司欲研制的活塞检测装置需要八个同样的位移传感 器，考虑现在世面上的高精度微位移传感器的价格不菲，假如在该装置上使用八 个这样的位移传感器，则该装置的成本就会增加很多，同时，其使用也将会受到 限制，如果此时能有一种价格低廉且分辨率高的位移传感器最为理想，不仅可以 降低该装置的成本，而且实用性也会大大增强，这样有利于它的推广使用，并能 发挥出它更大的价值。 本课题正是要解决该活塞检测装置中的传感器问题，最终目标是研制出一个价 格低廉而且分辨率高的微位移传感器。 2 3 传感器设计要求 传感器由于原理、结构、使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不尽相 同。但是有些一般要求，基本上是共同的，这就是：可靠性；静态精度； 动态特性；量程；通用性；抗干扰能力；轮廓尺寸；成本；能耗； 第2 章基于位移传感器的活塞检测方法分析 对被测物的影响等。 可靠性、静态精度、动态特性、量程的要求是不言而喻的。传感器是通过检 测功能来达到各种技术目的的，很多传感器要在动态条件下工作，精度不够、一动 态性能不好或出现故障，整个工作就无法进行。在某些系统或装备上往往使用多 个传感器，若有一个传感器失灵，就会影响全局。所以传感器的工作可靠性、静 态精度和动态性能是最基本的要求。 ， 通用性主要是指传感器可应用于各种不同的场合，避免一种设计对应一种应 用，以求在实际生产生活中达到事半功倍的效果。 抗干扰能力也是十分重要的，因为使用现场总会存在这样那样的干扰，会出 现各种意想不到的情况，因此要求传感器有这方面的适应能力，同时还应包括在 恶劣环境下使用的安全性。沈阳贝特数控机械有限公司生产的活塞数控加工机床 刀架，是基于超磁致伸缩材料3 7 瑚瑚1 制成的，由磁场控制刀架的伸缩，而磁场 是由缠绕在超磁致伸缩材料周围的线圈通入电流产生的。检测装置需要在机床的 附近工作，因此传感器的工作环境存在交变磁场，所以将要研制的位移传感器的 抗干扰能力是十分重要的。 2 4 传感器最终达到的目标 通过本课题的研究，希望最终能够设计制作出一个价格低廉、分辨率高、稳定 性好并且抗干扰能力强的微位移传感器。将研制出的位移传感器应用在沈阳贝特 数控机械有限公司的活检测装置上，从而制作出一个低成本、高精度的活塞直径 检测装置，这样自动检测就会取代绝大部分活塞生产厂家的手工检测的方式，避 免了由于人工检测的主观因素大、劳动强度高而导致的检测效率和检测精度低的 缺点，从而为活塞的检测带来一个全新的局面。 沈阳理工大学硕士学位论文 第3 章应变片理论基础 金属导体的电阻随其机械变形而发生变化的物理现象叫做应变效应，电阻应变 片就是基于金属导体的应变效应制成的。电阻应变片( 简称电阻片) 是一种电阻式 的敏感元件。在测量应变时，首先要求电阻片的应变与被测物的应变相等，因此 要用粘结剂把电阻片牢牢粘贴在试件的测点上。当被测物受到外力作用时，测点 产生的变形通过粘结剂和电阻片的基底传递给电阻片的敏感栅，于是敏感栅也随 被测物测点同时变形，从而引起电阻变化。电阻变化率的大小与电阻片下覆盖的被 测物处的平均应变成正比。 根据应变片的特性已经制作出了：压力传感器、扭矩传感器、加速度传感器 等n 3 儿“嘲，本课题就是基于电阻应变片的特性来制作微位移传感器。 3 1 应变片分类 电阻片的种类繁多，分类方法也各不相同，一般分类方法有以下几种协1 ： ( 1 ) 金属箔应变片：它是在合金箔的一面涂胶，然后在箔面上用照相腐蚀成 形法制成的。它的几何形状和尺寸非常精密，生产离散度小。根据测量的需要可 以制作任意型式的应变花，而且可以设计横向灵敏度最小的电阻片。由于敏感栅 断面是平而薄的矩形截面，表面积大，可允许通过较大电流，从而可降低对电阻 应变仪的要求，或提高电阻应变仪的灵敏度。由于纵横向丝是整体的，在纵横丝 交接处抗剪能力强，耐疲劳，其疲劳寿命最高可达1 0 万 - - 2 0 0 万次。箔式片厚度 仅有0 0 0 1 一- - 0 0 1 毫米，柔性较好，可贴在形状复杂的零件上。 ( 2 ) 半导体应变片：半导体应变片灵敏度系数是金属栅电阻片的几十倍，机 械滞后小，但是温度变化对它的电阻值和灵敏度系数影响较大，所以稳定性较差， 因此本课题采用金属箔应变片。 3 2 应变片中单根电阻丝应变效应理论研究 本课题中采用的是箔式应变片如图3 1 所示。 第3 章应变片理论基础 y 。 一x l 图3 1 箔式应变片 先截取敏感栅的一部分，分析其应变与电阻之间的关系。导体的电阻与几何尺 寸及电阻率的关系是： ， r _ p 考 o - - i ) 式中r ：导体的原始电阻( 欧) ： p ：导体材料的电阻率( 欧毫米2 h e ) ： ，：导体长度( 米) ； s ：导体横截面积( 毫米2 ) 。 当考虑导体材料的电阻率p 是常量时，导体变形引起电阻的变化为： 擗夕i d l p 等 用( 3 2 ) 式除以( 3 1 ) 式得： 变形后直径d 变为： 式中：泊松系数。 面积变化为： d rd t d r 一：= ： rt s d = d - f l e d = d ( 1 一胪) ( 3 2 ) ( 3 3 ) d s 2 f f ( d “一d 2 ) = 4 d 2 ( 1 一s ) 2 一d 2 】 d s = 了z - , d 2 ( 一2 肛) ( 3 4 ) 沉p u 埋i 大字坝士字位论又 因为肛为1 0 “数量级，所以( 肛) 2 为1 0 。2 数量级，可忽略不计。 将( 3 - - 4 ) 式代入( 3 - - 3 ) 式得： 塑r 旦l 挚：铷知2 咖街2ll 、 一 譬：球 ( 3 吲 一一、0 6 jj ， 尺 。 从式( 3 5 ) 式可以看出电阻变化率警与应变量之间成正比。比例常数定s 称为 电阻丝灵敏系数。 ( 3 - - 5 ) 式还可以写成： k = 百d r 么= ( 1 + 2 ) 一般电阻丝的泊松比系数- - - - 0 2 仙4 ，则k s = 1 4 8 1 8 ，但实际测得的k s 值 均大于此值。这说明以上假定p 在应变过程中是常量与实际情况不符。 当考虑导体材料的电阻率p 随应变大小的变化而变化时，导体变形引起电阻的 变化为： d rd od ld s 一：= 一- r p zs 根据( 3 - - 3 ) 式及( 3 - - 5 ) 式有： 了d 一了d s - ( 1 脚考1 = i + ， ts 、 。t 所以 警= 警柙+ 2 ，孚= 警州+ 2 肋s b = 警么- 【( + 2 ) + 警么】 c 3 6 ， ( 3 6 ) 式中警么称为单位应变的电阻系数变化率，该值为常数。 实验表明，在很大的应变范围内k 。保持为常量。从( 3 - - 6 ) 式可以看出，k 。 第3 章应变片理论基础 不仅与电阻丝的力学性能有关，而且还与电阻丝的电学性能塑么有关。 ，6 电阻片是由电阻丝绕成多栅型，要精确计算电阻片的灵敏度系数kp 值是比 较困难的。一般电阻片灵敏度系数k p 均小于k s 。因此k p 不仅取决于电阻丝的 性能，而且与贴片用胶、电阻片结构、贴片工艺以及工作环境温度等都有关系， 所以k p 值只能用实验方法进行精确标定。 3 3 应变片灵敏度系数k 的理论计算 应变片粘贴在试件上，当试件表面有微型变形时，应变片随试件表面变形， 通过计算出试件表面变形量的大小计算出应变片阻值的变化量。如图3 2 悬臂梁 简图所示，悬臂梁的长度为，厚度为五，在力f 的作用下产生的挠度为f ， 假定变形后的弹性线是圆弧，则该梁表面的应变为： s = 等 本课题中f 最大值为2 m m ，则相应的，应变片的灵敏度系数k 可以表示为阳1 ： k ：竺 h 3 7 、 广 “ 二= = = = = f l 、 l 、 千 1 ， 图3 2 悬臂梁弯曲简图 3 4 电阻片的工作特性 电阻片是基于金属导体的应变效应制造而成的。在电阻片的变形过程中，除了 电阻值受机械应变的影响的特性外，还应具有以下性能，以保证测试精度。 沈阳理工大学硕士学位论文 3 4 1 机械应变极限 电阻片所能测量的最大应变值称为电阻片的机械应变极限。机械应变极限的大 小取决于电阻片的强度、线性段的大小以及基底和粘结剂材料的性质。为了保证 测量精度，一般电阻片测量应变的上限s 一应小于o 5 。如果应变量大于这个数 值，则基底和敏感栅之间容易发生滑脱现象，使测量失去意义。 3 4 2 线性 一般情况下，电阻变化率与应变之间成线性关系。电阻片的线性度用非线性的 百分比或线性相关系数来表示。测量值偏离理想直线值的偏差与测量范围内的最 大值s 的百分比就是非线性的百分比盯： 盯= 全x l o o 1 o 5 ( 3 7 ) s 理想直线是满量程输出与零点的连线。若以线性相关系数来表示线性度，理 想直线是由线性回归方程来表示，要求线性相关系数在o 9 5 以上。引起电阻片的 非线性的主要原因是粘结剂传递变形不良，或敏感栅和基底材料本身应力应变关 系呈非线性。 3 4 3 零点漂移 在恒温恒湿的环境和试件不受力的条件下，粘贴在试件上的电阻片视应变值 随时间变化的特性称为零点漂移。零点漂移值s 为： a 占：鱼( 3 8 ) t 产生零漂的主要原因是由于电阻片受潮使绝缘电阻率降低。通电后，驱散潮 气，造成电阻值改变和基底收缩，从而出现视应变值。敏感栅与引线产生热电势， 也可能出现视应变值。 3 4 4 蠕变和松弛 在恒温、恒湿及恒载的作用下，粘贴在试件上的电阻片的视应变值随时间变 化的特性若向增加趋势变化，称为蠕变，若向减小的方向变化，称为松弛。其变 化数值随载荷增大而增大。 蠕变和松弛主要是由粘结剂与基底引起的。若粘结剂与基底固化不充分，受 第3 章应变片理论基础 力时它们本身会产生蠕变。在高温测量时，工作温度若接近或超过粘结剂和基底 的软化温度，也会产生蠕变。而粘结剂抗剪强度过低或与试件亲和力较差时，就 会出现松弛现象，严重者还可能脱胶。 在进行这项性能标定时，要扣除零点漂移值，而恒温与恒载都应采用测量时的 极限温度与最大载荷。 3 4 5 机械滞后 当对贴有电阻片的试件进行反复加卸载实验时，其特性曲线不完全重合，并 且呈一条封闭曲线( 见图3 3 ) ，这种现象称为电阻片的机械滞后。滞后值h 可用 滞后曲线与竖轴两交点间的距离，同测量范围内的最大值s 之比的百分比来表 示，即， ：一a 1 0 0 ( 3 9 ) s ko 刃 s l 审 z j j 一 ) n 第4 章应变片式微位移传感器的结构和放大电路的设计 由此可得： = ( + 封，： 飞：= ( + 等卜， 第一放大级的闭环电压放大倍数为： 锄= 磊u o l u 0 2 = 幽u i = ( + 刳 。 “1 1 一“f 2 l“l 只要改变届的阻值，即可调节放大倍数。 + ? + uo 一筹 4 t 7 测量放大电路原理图 同相并联差动放大器的优点是：输入电阻高；改变届大小可以很方便地调节 增益( 但是非线性的) ；对外电路不需要匹配电阻，浮动输出可获得极高的共模抑 制比。 ， 同相并联差动放大器的缺点是：输出端碥为浮动输出，在某些情况下的使用 不方便；浮动输出两端对地有较大的共模信号。因为 = 搿。一三勺鳓 “。：= “。+ 丢4 矿。“d u 。= “。2 一u d l2 彳矿l 甜d 沈阳理工大学硕士学位论文 其中式中：“。= 去( “n + “，：) 对第二放大级言，如果尼= 尼，尼= 届，则 锄=去=一瓦110u= 一惫口2 一“o l“口l 一“0 2代4 因此，两极总的放大倍数为：， = 詈= 如z 一舍( 鲁 由于输出端为浮动输出，浮动输出对地有较大的共模信号，引起输出信号的 飘移，稳定性不好，从而使得测量不够精确。引起信号漂移的原因很多，如晶体 管参数随温度的变化，电源电压的波动，电路元件参数的变化等，其中温度的影 响最为严重。鉴于运算放大器的一系列缺点，我们采用仪器放大器。仪器放大器 具有输入阻抗高、输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小、温漂小、时 间漂移小等特点，因而稳定性好1 7 钔。 4 5 2 仪器放大器 当传感器的工作环境恶劣时，传感器的输出有各种噪声，共模干扰很大，当 传感器的输出小，输出阻抗大时，一般运算放大器己不能胜任，在这种情况下可 用仪器放大器对差值信号进行放大，因此选用仪器放大器。 4 5 2 1 仪器放大器的简单介绍 仪器放大器又称数据放大器，测量放大器和电桥放大器。它的输入阻抗高，易 于与各种信号源相匹配。它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小， 并且温漂小，时间漂移小，因而稳定性好。它的共模抑制比大，适于在大的共模 电压的背景下对差值信号进行放大。 仪表放大器由于其本身所具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供 电范围及小体积等一系列优点，在数据采集系统、电桥、热电偶及温度传感器的 放大电路中得到了广泛的应用，它既能对单端信号又能对差分信号进行放大。在 数据采集系统中，一般需要实现对多路信号进行数据采集，这主要是通过多路开 关来实现对多路信号的切换。实际应用中，针对不同的测量对象可以分别选择单 端信号或差分信号的输入方式来实现对信号的获取，一般市场上所有的多路信号 第4 章应变片式微位移传感器的结构和放大电路的设计 采集系统基本上都具备这种功能。 4 5 2 2 仪表放大器i n a l 2 8 的简单介绍 i n a l 2 8 是美国b u r r - - b r o w n 公司推出的最新精密仪器仪表用放大器，它具有 成本低、精度高、通用性强等特点。芯片是由三个运算放大器所构成的一个精密 仪表用放大器，其特性指标比三个独立的运算放大器构成的仪表用放大器要高得 多。同时，i n a l 2 8 还具有很低的失调电压与很小的温度漂移，高的共模抑制比及 极高的输入阻抗等特点。i n a l 2 8 由于内含输入保护电路，因此，如果输入过载， 保护电路将把输入电流限制在1 5 到5 m a 的安全范围内，以保证后续电路的安全。 实践证明，i n a l 2 8 不仅在很宽的频带范围内能很好的工作，而且具有很高的抗干 扰能力，是一种使用非常方便的仪表放大器。 4 5 2 3in a l2 8 放大器的基本特性及技术参数 i n a l 2 8 放大器有优良的电参数，主要参数如下： 失调电压低最大值为5 0 i l y ； 漂移温度小，0 5 uv ； 偏置电流小，5 n a , 共模抑制比高，最小值为1 2 0 d b ； 具有+ 4 0 v 的输入过压保护； 电源电压范围宽，2 2 5 v - 一1 8 v ； 静态电流小7 0 0 卅； 低的非线性误差，最大值为0 0 0 1 ； 在应用仪器放大器时，需要知道它的几个管脚用途以及放大器的主要参数， 至于它的内部电路结构如何一般是无关紧要的。仪器放大器可用图的符号来表示。 图4 1 8 中所示的是i n a l 2 8 仪器放大器( 此次毕业设计中所用的仪器放大器) 的 外形、管脚和符号图。 这种仪器放大器需要与外电路相接的是通过8 个管脚引出的。各管脚的功能 是： 2 为反相输入端。由此端接输入信号，则输出信号和输入信号是反相的( 或两 者极性相反) ； 3 为同相输入端。由此端接输入信号，则输出信号和输入信号是同相的( 或两 沈i j f 理工大学硕士学位论文 者极性相同) ； 4 为负电源端； 5 为接地端； 6 为输出端； 7 为正电源端。 图4 1 8 仪器放大器i n a l 2 8 的外行、管脚和符号图 4 5 2 4 仪器放大器i n a l 2 8 的放大原理 图4 1 9 是仪器放大器i n a l 2 8 的原理图。 v 端 袁彳 v - 图4 1 9 仪器放大器i n h l 2 8 的原理图 在仪器放大器i n a l2 8 中r 2 = r 3 = 2 5 kq ，r 4 = r 5 = r 6 = r 7 = 4 0 kq 。令输入信号电压 3 6 - 第4 章应变片式微位移传感器的结构和放大电路的设计 为矾。因为尼= 尼，则r g 的中点是“地电位。于是得出a 1 和a 2 的输出电压， 它们分别为 t + 拿 ”订= ( - + 专 “n = ( t + 刳 由此可得： 吨：= ( + 等卜， = 而n o l - - n 0 2 = 幽u i = ( + 当r a 。 “订一“f 2 k 对于后一部分，为a 3 组成的差动放大电路，则 =去=一焘=一生r4u uu 。 0 2 一o l“。l d 2 因此，两极总的放大倍数为 妒鲁咄。：一舍( - + 百2 r 2 ) ( 4 - - 1 1 ) 因为在仪器放大器i n a l 2 8 中民= 心= 4 0 k 2 ，r2 = 2 5 k q ，所以， 如一( 1 + 警) ( 4 _ 1 2 ) 4 5 2 5 i n a l 2 8 在该传感器上的应用 i n a l 2 8 在传感器上的应用，首先要确定的就是放大倍数问题，我们先将8 只 应变片组成的全桥接入1 2 v 电压，将传感器固定好，触头处于自然状态下，由于 每个应变片阻值不是完全相同，因此此时的全桥输出的电压不为零，将此时的电 压u 1 记录下来。使用光栅位移传感器作为基准，将本课题的传感器的触头与光栅 沈阳理工大学硕士学位论文 传感器的触头顶在同一挡板上，并且两个触头保持平行，沿着触头方向移动该挡 板，此时可以看作本课题位移产感器产生的位移与光栅传感器的位移相同，当光 栅传感器产生2 m m 位移时停止移动挡板，j 比时再记录下电压值u 2 。 u = lu 1 - u 2i u 即为该传感器在o , - - 一2 m m 变化时，电桥输出的差动电压变化量( 由于每个传感 器中的应变片变化并不完全相同，因此每个传感器都要进行测量) ，将u 放大为 5 v ，所以需要放大的倍数为：a _ 亩，因此根据i n a l 2 8 增益倍数如= 一( 1 + 号笋) 的公式计算出r g 的阻值。这样经过放大后的电压值变化量为5 v n 们。 本课题中使用的a d 只能采集到o - - - 5 v 电压，所以需要对上面放大后的电压调 节到o - - - 5 v 。通常的办法是在全桥中并联一个滑动变阻计，如图4 2 0 所示，通过 调节滑动变阻计r x 的阻值来调节电桥的平衡，使自然状态下输出的初始电压值为 零。但是，考虑到本课题的特殊性，如果在八个应变片组成的全桥中并联一个电 阻，由于并联的电阻计的材料与应变片的材料不同，因此并联该滑动变阻计后对 全桥电路的温度互补的作用有影响，而且电桥输出的电压很小，如果温度产生一 点影响，则误差很大。因此，本课题不采取这种方式进行电压调节。 r 电压o v 图4 2 0 常规调节电桥平衡法 本课题的电压调节方法如图4 2 1 ，首先计算出需要放大的倍数，然后选定r g 值，这样i n a i2 8 放大后的电压值变化量为5 v ，这时我们对放大后的电压进行调节 处理，例如，发大后的电压值变化为一i v - - 4 v ，这时我采取的方式就是，在引脚5 和5 v 电压间加两个电阻r 1 ，r 2 ，且使r 1 两端电压为1 v ，这样将r l 的一端和仪 ；，一， 一 一 一 ，。，。，l 第4 章应变片式微位移传感器的结构和放大电路的设计 器放大器的6 脚作为输出，此时输出的电压将会在o - 5 v 间变化。我们可以用同 样的方法去解决放大输出电压不在o ，- - 5 v 变化的情况，就是将放大输出的电压上 拉或下拉至o 5 v 间变化。该方法彻底解决了因为调节电桥平衡而并联电阻时带 来的误差。 rc a 5 v + 5 v 图4 2 1 课题采取的电压调节法 经过以上的分析设计与制作，最终触头从o ，- - 2 m m 变化，实现了输出的电压在，- 0 5 v 间变化。 至此，应变片式微位移传感器的结构和放大电路部分的设计已经完成，接下来j 需要对输出的电压信号进行信号转换与标定。 传感器在安装时需要将上下两端夹紧，相对应的两个传感器触头尽量在同一轴 线上。将标准活塞放在中间，调节每个传感器的位置，当每个触头有微小移动时 为宜。 沈阳理工大学硕士学位论文 第5 章数据采集及单片机系统设计 传感器机械部分已经能够实现：探头位移变化o , - 一2 m m ，对应的输出电压为0 5 v ，最后需要将放大后的电压进行a d 转换，将模拟信号转换成数字信号，传递给 单片机，单片机根据设置的运算程序，将采集到的电压值进行运算，计算出采集 到的电压值对应的位移值，然后将位移值显示出来。 5 1 应用m a x l9 7 对数据进行a d 转换 a d 转换器广泛应用于数据采集与信号测量中。在数据采集系统中，a d 转换的 速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。a d 转换芯片有并行、串行两种，精 度从8 位至i 2 4 位，存在多个等级。精度不同，分辨出最小电压信号不同，例如：8 位 a d 的最小分辨的电压值为：u 2 8 ，该课题的电压变化范围是：o - - 一5 v ，因此每个 数字信号代表的电压值为：5 v 2 8 = 1 9 5 m v ；如果选择1 2 位的a d ，那么该a d 能分 辨出的最小电压值为：5 v 2 8 = 1 2 m v 。因此，选择高分辨率的a d 对本课题很重要， 高分辨率的a d 能大大地提高该传感器的精度。 本课题选择1 2 位的m a x l 9 7 是性能比较优越的一款，接口简单，转换速度快，操作 容易，精度能够满足多数信号测量和工业控制场合咖卜。 5 1 1m a x l9 7 结构特点 m a x l 9 7 是m a x i m 公司推出的具有1 2 位测量精度的高速a d 转换芯片，只需单一 电源供电，转换时间很短( 6 m s ) ，多量程( 1 0v ，5v ，0 1 0v ，0 - - 5v ) 、8 通道的a d 转换器。它采用逐次逼近工作方式，有标准的微机接口。三态数据i o 口 用做8 位数据