击试验台传感器与信号调理模块的研究.doc

击试验台传感器与信号调理模块的研究 野舞髓且迎二二诹工案火秀硕士学位论文题目；头盔冲击粥台传感器与信号调?的研究】英文题目擘住申请人姓名中请学位学科专业指导教师姓名魏婉华电?电子与电?传动肖俊武教授湖?工业大学硕士学位论文摘要目前，市面上出售的各式头盔中，很多质?都?能达到国家的安全标准，人们佩带劣质头盔就失去了安全防护的作用。 检测头盔质?的头盔冲击试验台采集头盔上承受的冲击?强度物?后，所得到的信号必须经过信号调?才能保证后续处?的准确性和可靠性。 结合头盔冲击试验台中信号的特点，本论文主要对传感器和信号调?电?进?了一定的研究，并具体实现。 在头盔冲击试验台中，将钢锤放在头盔上方的地方，让它作?体运动，冲击头盔。 冲击产生的冲击?通过传感器转化为电信号。 为了?好地转化冲击产生的冲击?，使用的传感器要合?，这?选用的传感器是由箔式应变片搭建的惠斯登电桥电?。 这种测?电?具有很高的灵敏度，而且具有测?范围宽、电?结构简单、精度高、容?实现温度补偿等优点，能很好的满足应变测?的要求。 从传感器出来的电信号非常微弱，需要经过信号调?模块将其调?成数据采集芯片中模数转换能够识别的范围。 信号调?模块包括放大电?，滤波电?，隔离电?等的设计。 在本论文中，针对头盔冲击试验中传感器输出信号微弱的特点，放大电?使用的是仪用放大器，在本文中选用的是；由于信号频率集中在低频段，滤波电?采用的是二阶有源低通滤波电?，较好地解决了无源滤波器在低频范围使用时体积大的问题，?为重要的是二阶有源滤波器在通带内有稳定的增益和很强的带负载能?；信号调?的最后部分是隔离电?，本论文中的隔离电?使用惠普（）公司的高线性模拟光耦来实现，它是利用线性模拟光耦的功能来完成对于扰信号的有效隔离。 微弱的电信号经过调?模块后，与数据采集系统中模数转换（）的输入范围相匹配，从而提高数据采集系统的准确性和可靠性，以?对数据进?分析。 在本论文中，数据采集部分是选用芯片来实现。 使用该芯片上集成的位模块将输入的电信号（即调?后的信号）转换成数字信号，然后对该信号进?相关的处?。 从数据采集系统出来的数据经过软件处?后，对数据进?分析就可以判断该头盔是否符合国家标准头盔的质?要求。 关键词头盔冲击试验台，传感器，信号调?，数据采集湖?工业大学硕士学位论文，正，。 码砌，（），迅，“），。 ，佩嘉童工誊火饔学位论文原性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进?研究工作所取得的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文?包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在交中以明确方式标明。 本声明的法?结果由本人承担。 学位论文作者签名魂痢辱吼泊?月弓日学位论文版权使用授权书本学位论文作看完全了解学校有关保留、?片字位论文的规定，即学校雨权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖?工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进?检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者鲐瓿嫣绎指导教师始弋，认日期访?月弓日日期?日湖?工业大学硕士学位论文第章引言课题背景和意义国家质检总局?月日公布的抽查结果显示，国内摩托车头盔的质?令人担忧摩托车头盔的抽样合格率竟然?足三成，劣质头盔?绝于市。 这种情况无疑为交通事故造成?加严重的后果埋下了隐患。 基于上述这种情况，对头盔生产厂家生产出来的头盔必须按国家技术监督局发布的国家安全标准或进?检测，从生产环节来保证头盔的质?，从而确保消费者的人身安全。 在桥?、船舶、压?容器、管道、热电站发电设备、汽轮机和发电机转子以及其它设备发生的脆性断裂等方面的研究，主要是使用冲击试验台来完成的。 同时，在材?的生产及加工工艺的检验方面，冲击试验台检测也积累了许多经验，并成功地应用于如下几个方面“冲击?对材?的宏观缺陷、显微组织的差异等非常敏感，长期以来能有效地用来检定钢材质?和判断冶金、加工和热处?规程的适宜性，从而控制和稳定产品质?冲击?对温度十分敏感，通常从低温到高温进?系列的冲击试验，测定韧脆转变趋势和转变温度。 防止金属构件的冷脆、蓝脆及重结晶脆性，大致估算出构件可以承受的工作温度，从面提供一种经验性判断依据；由于冲击试验测出的冲击?对缺口非常敏感，因此可以用来评定金属对大能?一次载荷的缺口敏感性；，常用的冲击试验测定钢材时效前后的冲击功，以确定钢材的时效敏感性；与其它试验方法的结合，总结一些经验公式，为产品的材质检验和设计提供依据。 同样，头盔质?的检测主要也是使用冲击试验台来完成。 尽管现在国内外已经有众多厂家生产出多种?同型号的头盔冲击试验台（如摆锤式、?锤式），但是由于技术、原材?等各种原因，这些头盔冲击试验台检测设备的价格非常的昂贵，价格在几百万元甚至上千万元，这给该设备的广泛应用造成了障碍。 在这种背景下，结合头盔质?检测的要求，本论文设计并实现了头盔冲击试验台中传感器和信号调?电?，然后送给数据采集系统。 当头盔在受到主动式撞湖?工业大学硕士学位论文击时，头盔冲击试验台检测头盔壳体承受的冲击强度和缓冲层吸收的冲击能?，根据检测结果判定头盔是否达到国家或标准。 作为自?设计的头盔冲击试验台的关键组成部分，本文的研究对于降低头盔冲击试验台的成本，增强系统的针对性以及推广该系统的广泛应用都具有重要的现实意义。 国内外相关试验台的现状与前景随着自动化技术、计算机技术及光电技术的发展，新一代仪器化（数字化）冲击试验枫的相继司世，冲击试验台的冲击?和位移测?的精确度得到了很大程度地提高，使冲击试验台的应用领域?为广泛。 目前，冲击试验台在以下几个方面得到了有效地应用表面强化效应的研究。 在摆锤冲击试验中，由于试样缺口截面上受?是?均匀的，缺口处受拉应?，而与其相对应的另一面受压应?，因此缺口截面受?状态有一个由拉伸变压缩的过程，缺口根部拉?最大。 如果缺口表面状态有所变化，例如喷丸、镀层、滚压或者渗碳等均会使表面强化，那么冲击试验对其强化效果会很敏感，将使冲击?或者冲击能?增加或减少。 对冶金质?及热处?工艺缺陷进?定?检验。 把具有使用价值的冲击?、位移、裂纹形成功及扩展功等冲击性能作为检验依据，借以评定缺陷的严重程度，分析其形成原因。 对材?韧脆转变的评估。 因为裂纹扩展功在转变过程中变化显著，?仅能够给出定?评估指标，而且可从微观形态和宏观断口上进?分析。 材?的韧脆程度将会用韧性断面率来衡?。 同一种材?同状态的韧性断面率可以进?比较。 宏观断口与所测出的冲击?或冲击功参数之间的研究，会使我们走出订测试困难的困境。 在动态断裂?学中，用冲击方法测动态，变得很容?实现。 它使冲击拉伸试验?再是难题，可以像静拉伸一样，测出各种参数及性能指标。 使冲击与拉伸、疲劳及断裂韧性之间关系的研究进入一个崭新的时代。 对焊接件及其性能的研究提供?多的冲击试验数据，翻开焊接质?评估和检测方法新的一页。 对非金属材?，特别是对高聚物或高分子材?，由于冲击强度与温度、湿度、加载速度及试样的几何形状等关系密切，仪器化（数字化）冲击试验机测出的多湖?工业大学硕士学位论文种性能参数，将为之提供?多的可分析研究的数据，促进其发展。 从只能定性测定物?意义?明确的冲击功，走向定?测?具有使用价值的裂纹形成功和裂纹扩展功，同时从冲击?一位移曲线上还可以得到反映材?在冲击过程中性能变化的许多参数。 这些反映材质冲击性能变化的参数将成为未来的冲击性能指标，为冲击试验的发展开刨美好的前景。 头盔冲击试验台研究的内容在头盔冲击试验台中，将头模垂直安放在坚固的基座上，头盔的帽衬调节至最大限度后戴到头模上，控制系统控的钢锤自高度下?（锤尾至帽项的距离）自由或导向平稳下?，冲击头盔，测?头模所受的?。 钢锤下?轨迹应与头模中心线一致，水平偏移?大于。 根据国家安全帽的标准，对头盔的检测主要从以下几个方面的来进?冲击吸收性能将三顶头盔分别在（矿井下头盔为）、一及浸水三种情况下处?，然后用钢锤自高度?下进?冲击试验，头盔冲击点受到的冲击加速度?应超过。 耐穿透性能根据安全帽的材质选用、一和浸水三种方法中的一种进?处?，然后用钢锥自高度?下进?试验，钢锥?应与头模接触其他要求（根据需要选择）（）耐低温性能凡低于一安全帽的冲击吸收性能与耐穿透性能要符合与款的要求。 （）耐燃烧性能；用安全帽试验方法规定的火焰和方法燃烧安全帽秒钟，移开火焰后，帽壳火焰在秒钟内应能自灭。 （）电绝缘性能交流耐压试验分钟，泄?电流?应超过。 （）侧向刚性用规定的方法给安全帽横向压?，帽壳最大变形?应超过，卸载后变形?应超过。 本论文中的头盔冲击试验台主要用于检测第一项技术指标，即冲击吸收性能。 根据国家标准的机车用头盔试验台的设计的标准，对一般的机车用头盔而言，经采集处?后的数据如果满足以下要求，则表明该头盔为合格头盔。 冲击测试标准如下产生以上的加速度，其持续时间应该在以下产生以上的冲击加速度，其持续时间应该在以下；?得产生以上的冲击加速度。 湖?工业大学硕士学位论文具体而占，本论文主要完成以下几个方面的工作；（）控制与测?系统要控制电机提升重锤到指定的高度，距头盔的距离。 （）将重锤提升到指定高度后，让重锤作对头盔作冲击运动。 （）对传感器产生的弱电信号进?信号调?。 主要包括传感器的选择、放大电?、滤波器、隔离等电?的设计。 （）采用（）单片机（）作为数据采集系统的中央处?单元。 主要从软件上处?采集的到的数据，从而检测出头盔是否达到标准头盔的质?要求。 冲击试验台设计的难点在于（）冲击会引起头盔的变型，从而引起零点浮动；?（）对传感器产生的弱电信号进?数据调?，使调?后的数据能充分利用数据采集系统中的满刻度。 整个试验台的基本工作原?如下测?与控制系统控制升降机构，使重锤上升到远的高度；高度定位机构准确定位重锤上升的高度，以免在上升过程中冲撞机架；待重锤上升到指定的高度后，控制悬挂重锤的电磁挂钩松开，使重锤作自由下?，重锤撞击在内有头模的头盔上，产生冲击?。 此时头模上的冲击?通过传感器转化为电信号，但是电信号很弱，需要对此弱电信号进?放大、滤波、隔离等系列调?后输入到以单片机为核心的控制与测?模块。 该模块对信号进?采集、处?、储存，并通过网络接入卡把相关数据传输到局域网或者上，以?使工厂的管?深入到控制现场，这样可以通过远程监控工业生产过程和远程系统调试、设备故障诊断。 在本次设计的头盔冲击试验台中，工作的基本流程如图所示。 酽聃咽圉图头盔冲击试验台基本流程图整个头盔冲击试验台的基本的结图如图所示。 湖?工业大学硕士学位论文。 图头盔冲击试验台结构图本论文研究的主要内容本论文主要研究的是头盔冲击试验台中，传感器和信号调?两个方面的内容。 重物?在头盔上产生的冲击?，通过压?传感器将冲击?转化为电信号，本论文首先从传感器的性能、选择原则和惠斯登电桥原?等几个方面对传感器进?阐述的；第二步是将从传感器出来的微弱信号进?调?，使调?后的信号范围与中）的范围相匹配。 信号调?主要包括放大电?的设计，本文主要使用仪用放大器。 ，滤波电?，这?用到的是二阶有源低通滤波电器。 隔离，本论文中采用的是公司的高线性模拟光耦来实现对信号的隔离。 信号进?调?后就可以送数据采集系统，然后经过软件进?处?。 可以通过软件处?后的数据判断被测头盔的质?是否达到国家的安全标准。 湖?工业大学硕士学位论文第章传感器的性能分析与选择在头盔冲击试验台中，重锤与头盔发生冲击后，冲击信号首先要经过传感器，传感器的目的是将被测的物?（如压?、重?、?矩、应变、位移、速度、加速度、振动、温度等）转换成数据采集系统能够测?的电?信号（如电流、电压等）。 例如热电耦、电阻式热探测器、热敏电阻等温度传感器，将温度转变成（模数转换器）可测?的模拟信号；张?测?器、流?传感器、压?传感器等可以用来相应地测?的强度、流速、压?。 在每一种测?中，传感器所产生的电信号是与所测控的物?参数相对应的。 本章主要讨论头盔冲击试验台中传感器的选用和要求。 传感器的相关概念传感器通常由敏感元件、传感元件和测?转换电?组成。 其中敏感元件指传感器中能直接感受被测?的部分，传感元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测?的电信号部分。 传感器的一些独特特性是设计信号调?电?所需考虑的主要因素。 表给出了常用传感器的电气特性及信号调?要求。 。 表常用传感器的电气特性及信号调?要求湖?工业大学硕士学位论文传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测?的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。 如果被测?是一个?随时间变化，或随时间变化缓慢的?，可以只考虑其静态特性，这时传感器的输入?与输出?之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中?含有时间变?。 对静态特性而言，传感器的输入?与输出?之间的关系通常可用一个如下的多项式表示?“（。 是零位输出；。 是传感器的灵敏度，常用表示，?是非线性项待定常数。 由（）式可见，如果口。 一，表示静态特性通过原点。 此时，静态特性是由线性项（，）和非线性项（，?，?。 ）叠加而成。 传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。 灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。 其定义是输出?增?与引起输出?增?的相应输入?增?之比。 用表示灵敏度，那么可用式子表达为。 竺缸线性度（）传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数?关系的线性程度。 输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 从传感器的性能看，希望具有线性关系，即?想输入输出关系。 但实际遇到的传感器大多为非线性特性。 在实际使用中。 为了标定和数据处?的方?，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节，如采用非线性补偿电?或计算机软件进?线性化处?，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性，但如果传感器非线性的方次?高，输入?变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。 传感器的线性度是指在全?程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满?程输出值砖之比。 线性度也称为非线性误差，用牡表示，即，。 竺丝。 （）式中淞一最大非线性误差；满?程输出值。 湖?工业大学硕士学位论文迟滞传感器在输入?由小到大（正?程）及输入?由大到小（反?程）变化期间其输入输出特性曲线?重合的现象称为迟滞。 也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反?程输出信号大小?相等，这个差值称为迟滞差值。 传感器在全?程范围内最大的迟滞差值记为胁一，厶胁一与满?程输出值话之比称为迟滞误差，用），日表示，即即。 垒粤（）重复性重复性是指传感器在输入?接同一方向作全?程连续多次变化时，所得特性曲线?一致的程度。 重复性误差属于随机误差，在数值上用各种测?值正、反?程标准偏差最大值的两倍或三倍与满?程的百分比表示。 即批；掣生（）式中扭表示重复性；盯一表示标准偏差。 漂移传感器的漂移是指在输入?变的情况下，传感器输出?随着时间变化，此现象称为漂移。 产生漂移的原因有两个方面一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。 温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为）时的输出值的变化?与湿度变化?之比（亭）来表示。 准确度测?系统的准确度，是指传感器的输出值与真实值的偏离程度，是系统误差大小的标志。 传感器的动态特。 性传感器的动态特性是指输入?随时间变化时传感器的响应特性。 很多传感器要在动态条件下检测，被测?可能以各种形式随时间变化。 只要输入?是时间的函数，则其输出?也将是时间的函数，其间的关系要用动态特性来说明。 一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入?的变化规?，即具有相同的时间函数。 实际的传感器，输出信号将?会与输入信号具有相同的时白函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。 动态特性主要是反映传感器的快速湖?工业大学硕士学位论文性和稳定性。 传感器的对外接口及其它指标传感器的对外接口主要是指电源接口和信号的输出形式。 另外传感器还有其它的指标，使用环境要求温度、湿度、防腐等环境方面的要求；电源要求电源电压的形式、等级及波动范围、频率及高频干扰；可靠性要求抗干扰、寿命、无故障工作时间。 传感器选择原则传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定测试系统性能的关键环节之一，因此传感器的选择对系统的性能十分重要，选择?同的传感器要符合?同的应用要求。 传感器的选用原则一般要考虑的因素有（）应用环境。 包括被测对象的性质、与其它设备的连接、环境温度、湿度、干扰源等。 （）线性范围。 任何传感器都有一定的线性范围。 在线性范围内输入与输出成比例关系。 线性范围愈宽，则表明传感器的工作?程愈大。 传感器工作在线性范围内，是保证测?精确度的基本条件，然而，任何传感器都?容?保证其绝对线性。 在某些情况下，在许可限度内，也可以在其近似线性区域应用。 故选用传感器时，必须考虑被测物?的变化范围，使其非线性误差在允许范围以内。 （）灵敏度。 一般认为，传感器的灵敏度越高越好。 因为灵敏度高，意味着传感器所能感知的变化?越小，即被测?稍有一点变化，传感器就有较大的输出。 但是也应该考虑到，当灵敏度愈高时，与测?信号无关的外界噪声也容?混入，并且噪声也会被放大系统放大。 这时必须考虑到既要检测微小?值，又要噪声小。 为保证此点，往往要求信噪比愈大愈好，即要求传感器本身噪声小，且?容?从外界引进干扰信号。 和灵敏度紧密相关的是?程范围。 当输入?增大时，除非有专门的非线性校正措施，传感器?应进入非线性区域，?能进入饱和区域。 某些测试工作要在较强的噪声干扰下进?，这时对传感器来讲，其输入?仅包括被测?，也包括干扰?，两者的叠加?能进入非线性区。 ?言而喻，过高的灵敏度会影响其适用湖?工业大学硕士学位论文的测?范围。 此外，当被测的?是一个向?时，并且是一个单向向?，那么要求传感器单向灵敏度愈高愈好；如果被测?是一个二维或三维向?，那么对传感器还应要求交叉灵敏度愈小愈好。 （）精确度。 传感器的精确度表示传感器的输出与被测?的对应程度。 由于传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测?值，对整个测试系统具有直接影响。 在实际测试中，也并非要求传感器的精确度愈高愈好，因为传感器的精确度愈高，价格越昂贵。 因此，应从实际出发来选择。 （）稳定性和可靠性。 稳定性表示传感器经过长期使用以后，其输出特性?发生变化的性能。 影响传感器稳定性的因素是时间及环境。 为了保证传感器的稳定性，在选用传感器前，应对使用环境进?调查，以选择较合适的传感器类型。 （）经济性。 要求传感器的性价比要高。 （）安全?利，安装、维护、?换要方?快捷，?对生产中其它方面产生负面影响，如体积小、重?轻、标准接口等设计。 几种主要压?传感器及特点在头盔冲击试验台中，重物砸下来产生的是?的物?，要使控制系统对数据能够进?很好的采集分析，需要利用传感器将冲击?转化为电的物?，由?到电的转化通常用的是压?传感器。 压?传感器种类繁多，性能各异，现对目前常用的几种压?传感器做简单的介绍比较“”（）电容式压?传感器电容器极板的相对位置随着压?的变化而改变，相对位置的变化就会引起电容的变化。 电容式压?传感器就是根据这个实现对压?的测?。 早期的极板电容传感器体积较大，后来的硅膜式压?传感器采用集成电?工艺体积很小，但检测电?必须具有?高的灵敏度和最低的漂移，而且输出为非线性信号。 （）电感式压?传感器电感式压?传感器是利用差压变压器原?，通过对位移的测?实现对压?的湖?工业大学硕士学位论文测?。 差动变压器的导磁铁芯通常固定在金属膜片控盒上感受压?变化引起的变形。 这种传感器对加速度、振动比较敏感，且动态响应性能比较差，而且由于磁芯的重?也会使安装的方式对测?有影响，对复杂的环境特别是多振源干扰时应用比较困难。 （）压电式压?传感器压电式压?传感器是利用某些晶体材?受到外部压?作用晶体极板的表面会产生电荷的特性工作的。 这类传感器的突出优点是动态响应特性好，无需外部激励电源，但因其输出为电荷，必须有高阻抗的放大器，而且?适合静态测?。 （）电涡流压?传感器电涡流压?传感器是根据电涡流位置感应原?工作的。 它由固定在压?膜片上的非磁性金属导体在耦合线圈产生的高频磁场作用下产生电涡流，当传感器承受压?时，膜片变形并引起两个线圈间的磁感变化，内置电?将磁感变化转换成标准的输出信号。 这类传感器对加速度、振动较敏感，动态性能比较差，对电源也有一定的要求。 （）硅谐振压?传感器硅谐振压?传感器的敏感组件（硅谐振?）粘贴在压?敏感元件（压?膜片等）上。 振?在激振电极的驱动下以某一频率振动。 当压?作用在膜片上时，振?的震动频率发生改变，拾振电极对振?的振动频率进?测?，从而得到作用到膜片上的压?。 这种传感器具有极好的灵敏度和分辨?，但是电?设计复杂，有温度漂移，对电源也有一定的要求。 （）硅压阻压?传感器硅压阻压?传感器是利用半导体的压阻特性进?工作的。 它的压阻特性由掺杂浓度和晶体的排列方向决定，灵敏度比金属应变要高些。 这类压?传感器有体型、扩散型等。 扩散硅压?传感器是在硅片的敏感部位扩散出阻值相同的电阻，性化电压信号。 这种传感器体积小，精度高，过压能?强，动态响应好，和其它半导体传感器一样，也有温度漂移的问题。 （）应变式压?传感器有压?作用时，硅膜片产生应变，从而使电阻条变形输出一个与压?呈正比的线湖?工业大学硕士学位论文应变片的阻值会随着应?的变形而改变，应变式压?传感器就是利用这个原?做成的。 应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成，将电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件在感受被测物?时会导致其表面变形，即应变。 应变致使其表面所附的电阻应变片也产生应变，通过测?此时电阻应变片的阻值变化，就可以测?位移、加速度、?、?矩、压?等各种参数。 为了精确地测出阻值的变化，通常将应变片连接成惠斯登电桥电?进?电阻测?。 应变式压?传感器结构简单，测?范围宽，线性好，成本低。 应变式?传感器通常使用的是应变式压?传感器，其应变片有金属和半导体两种，这?采用的是目前使用很广泛的金属电阻应变式?传感器。 头盔冲击试验台中的传感器就采用由惠斯登电桥电?搭建的金属电阻应变式压?传感器。 应变式传感器的基本构成可分为两部分弹性敏感元件和应变片（丝）。 弹性元件在?的作用下，产生一个与它成正比的应变，然后用应变片（丝）作为传感元件将应变转换为电阻变化。 应变式压?传感器与其它类型的压?传感器相比，具有以下特点。 （）测?范围广。 （）精度高。 高精度传感器的误差可达或?高。 （）输出特性的线性好。 （）性能稳定，工作可靠。 （）能在恶劣的环境下工作。 应变片的形式电阻应变片形式多样，常用的有丝绕式、箔式和半导体等形式。 它们都是由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成的。 敏感栅是核心部件，由具有电阻应变效应的金属材?制成。 敏感栅粘在由绝缘材?制成的基片上，其上的覆盖层保护敏感栅。 基片受?后发生形变，带动敏感栅变形，于是敏感栅电阻产生变化。 测得应变片电阻值变化?后，?可得到外?的大小。 丝绕式应变片价格?宜，粘贴方?，测?平面应变时?够精确；箔式应变片灵敏度高，使用寿命长，?于粘贴、散热和传递变形；半导体应变片灵敏度高，输出大，横向效应小。 湖?工业大学硕士学位论文应变片工作原?应变片的工作原?是根据导线“应变效应”的物?现象及导体的电阻值随其本身伸长率的变化而变化。 存在如下关系式尺（）式中一电阻变化率；灵敏系数；一应变值。 在头盔冲击试验台中，应变片介于头盔与头模之间，冲击使应变片发生变形，电阻值也将相应地发生变化，因应变与载荷有关，这样就使应变片完成了由载荷表示的机械?（冲击?）到电?的转换。 箔式应变片的优点在这个试验台中，我们选择了箔式应变片，箔式应变片与其他形式的应变片相比，其优点有（）制造技术能保证丝栅的尺寸正确，线条均匀，因此电阻值离散度小。 能制成任意形状以适应?同的测?要求。 （）散热性能好。 （）横向效应小。 （）疲劳寿命长。 （）柔性好，可贴在形状复杂的零件上。 （）蠕变小。 （）可大?生产，价格?宜。 金属应变压?传感器的稳定性金属应变式压?传感器的稳定性是由弹性敏感元件和电阻应变片这些元件内外因素的综合作用决定的。 首先是弹性元件。 弹性元件一般由优质合金钢材及有色金属铝、铍青铜等加工成的。 影响弹性体稳定性的主要是它经各种处?后的金相组织及残余应?。 考虑到应?释放缓慢、周期长，常常是?可取的，需要人为缩短时间，一般要消除弹性体表面残余应?的方法是做真空回火处?和疲劳式脉动?处?及共振。 这样可以大幅度地降低残余应?，在短时间内完成长时间的自然时效，使组织性能?为稳定。 其次是应变片和粘贴胶。 影响应变片稳定性的是箔材本身，制造应变片的电湖?工业大学硕士学位论文阻合金种类很多，其中以康铜合金使用最广，它有较好的稳定性，高的疲劳寿命及小的电阻温度系数，是?想的丝栅制造材?。 此外，制造应交片过程中应消除?良影响而造成的?稳定性。 如丝橱与基底胶的粘接强度，应变片与弹性体问的粘贴强度，基底胶内应?的释放等等，都是?稳定因素。 另外，应变片的粘贴，也是非常关键的要素之一，这一工作的好坏，直接影响胶的粘接质?，乃至测?精度，如果贴片?严格，技术?熟练，即使使用最好的应变片也无济于事。 金属应变压?传感器的特性传感器应该能够准确和快速地响应被测?的各种变动。 传感器主要通过两个基本特性一静态特性和动态特性反映被测?的这种变动性。 压?传感器的测?电?在弹性元件表面，采用的是一体化结构，它的动态响应速度相当快，这是这种传感器的优点。 压?传感器的静态特性参数很多，主要有以下几个汹（）测?范围和?程。 在允许误差范围内被测?值的范围称为测?范围。 测?范围的最高值和最低值的代数差为?程。 薄膜压?传感器因采用周边固支的平膜片作为弹性元件，?程范围宽，能精确测?范围内的压?值，且在高压测?上具优势。 （）精确度。 被测?的测?结果与真实值间的一致程度。 压?传感器的测?精度可达级及以上。 （）零点输出。 在标准条件下，被测?为零时传感器的输出，一般希望此值尽?接近于零。 （）灵敏度。 传感器的输出增?与输入增?之比。 薄膜压?传感器的灵敏度相对较低，一般为。 （）工作温度范围。 因薄膜压?传感器的基本材?是特殊的金属材?，工艺过程经高温或低温处?，能在宽温区内长期有效地工作，?带电?的传感器低温一般可达一，高温可达。 （）零漂及温漂。 漂移表示传感器在零输入的状态下输出值的变化。 漂移?的大小是衡?传感器性能是否稳定的一个重要指标，一般有零点漂移和温度漂移两种。 零点漂移是指在规定的时间阃隔及标准条件下，零点输出的变化。 绝大部分传感器在温度变化时特性会有所变化，一般用零点温漂和灵敏度温漂来表示这种变化的程度，即温度每变化一度，零点输出或灵敏度的变化值，灵敏度温漂亦可用?程温漂来表示，即温度每变化一度，?程输出的变化值。 薄膜压?传感器的灵敏度漂移主要是弹性元件材?的弹性模?随温度变化的湖?工业大学硕士学位论文原因，对应于同种材?的弹性元件，这个误差基本是一致的。 传感器的温漂是衡?传感器性能的一个重要指标，如扩散硅型的压?传感器的一个固有缺点就是温漂大且温漂的非线性大，为补偿温漂需要复杂的外围电?。 要扩大传感器的使用温度范围，就要解决温漂问题，如何将传感器的固有温度误差减少到最小，采用何种简单有效的方法来补偿传感器的温漂，是关于传感器的一项长期研究内容。 （）绝缘电阻。 在室温条件下施加规定的电流电压时，在传感器规定的绝缘部分之间测得的电阻值。 薄膜压?传感器的绝缘主要指薄膜电阻与弹性元件之间的绝缘电阻，也就是绝缘膜的绝缘程度。 （）稳定性和可靠性。 薄膜压?传感器的稳定性主要是零点输出和满?程输出的稳定性。 惠斯登电桥电?金属应变式?传感器是以应变片电阻的微小变化反映出?所引起的应变，这个电阻的变化?可用四个电阻连接成惠斯登（）电桥电?来测?。 惠斯登电桥电?包括个电阻元件，并带有一个置于桥端的电压激励源。 应变片通常占据、个桥臂，其余位置由固定电阻代替。 如图所示汹的电?采用的是惠斯登全桥应变电?。 这种测?电?具有很高的灵敏度，而且具有测?范围宽、电?结构简单、精度高、容?实现温度补偿等优点，能很好的满足应变测?的要求。 全桥采用恒压源供电，桥压为；，和为四个薄膜应变电阻，电桥的输出值为。 图惠斯登全桥应变电?湖?工业大学硕士学位论文根据分压原?可得桥?的输出电压为了页丽尺一石云函可面（）当桥臂电阻时，电桥处于平衡状态，输出电压为零，。 如，则输出?为零，这个输出值即薄膜桥?的初始零点，当这个初始零点超过误差标准范围就需要进?补偿。 电桥，即。 当四个桥臂电阻的阻值分别变化，时，桥?的输出为。 （）（）（）（），（）（、当电桥的桥臂电阻阻值发生变化时，桥?的输出亦相应改变。 假设电桥为等臂（）因电阻的变化?相当小，忽略高阶项，整?得；旦夏互互互埘衄（）假设薄膜电阻的灵敏系数为，各电阻的应变分别为、和，当应变片产生应变时，各电阻的阻值变化?分别为?【，三警警警警，。 乩塑踽坐。 尺将以上结果带入（）中有。 孚霉三尘旦兰，?等?，?，。 孚（加卅），这说明了桥?的输出信号值与电阻的应变?基本成正比。 （）。 合金薄膜的灵敏系数为左右，电阻的应变小于。 ，所以含（）（，可以忽略?计，（）式可以化简为（）在图中，设计薄膜压?传感器转换电?时，采用的是全桥应变电?，即将电桥桥臂的二个电阻对称分布于平膜片的中心区域，称为内阻，记为、，另另二个电阻对称分布于平膜片的边绝缘，称为外阻，记为，在测?时，弹性膜片受压形变，平膜片外电阻，产生一个压缩应交，一，内电阻，湖?工业大学硕士学位论文产生一个拉伸应变，?；，因而对应于相同的应变，全桥电?可获得最大的输出信号，一蹦（）由以上分析可知，测?电?的输出信号值与应变片的应变基本成正比，即电?的输出电压值与头盔所受的冲击?是成正比的。 这种全桥应变电?简单实用，可以使传感器得到较高的灵敏度，同时可以消除部分温度、内应?等外界因素对传感器性能的影响。 在头盔冲击试验台中，将五个由惠斯登电桥电?搭建的传感器分别放安装在头模的前后左右和头顶五个?同的地方，这样采集到的数据就?全面，对头盔的性能检测?全面。 ?误差金属压?传感器在规定的环境条件下和规定的工作条件下，在规定的时间内应保证其结构可靠和性能参数的变化在允许范围内。 实际上，由于某种内外因素的变化会促使传感器的性能参数变化，使测?结果失信。 误差主要有以下几种嗍传感器本体的设计因素如果是依据技术合同的针对性设计，或依据技术要求选用传感器，应了解该传感器的适应条件，如应变片的使用温度范围、湿度、工作坏境、结构可靠性和稳定性等。 在实际应用时产生误差的原因除传感器结构性故障影响传感器性能参数外，还有以下几个因素（）温度变化引起的误差在生产过程中，针对温度变化引起的性能参数变化在规定温度范围内应在硬件或软件上做补偿处?，减小温度变化在输出信号上产生的误差?，这种误差俗称温度误差。 （）振动、冲击在振动、冲击作用下会产生时变应?，会出现零件松动，结构件?疲劳断裂，出信号异常，时断时续等，从而影响对测?结果的判断。 （）灰尘对于密封性?良的传感器，在灰尘环境下长期应用，灰尘进入其内部，?造接插件的接触电阻增大等现象。 初期会在传感器的输出电信号上显现出来，如输湖?工业大学硕士学位论文成电?短?，产生静电火花，?利于防爆。 （）日照如在室外安装，在日照条件下，橡胶等非金属材?分解、降解，加速?化变形，影响到传感器的电?系统的绝缘，带来输出信号畸变。 （）湿气湿气的存在，在温度突变过程中?出现结?现象，使电?短?或击穿。 同时湿气会使零件腐蚀（电化学腐蚀），改变传感器的性能参数。 湖?工业大学硕士学位论文第章信号调?电?的设计从传感器出来的电信号非常微弱，变化?在毫伏数?级，很容?被噪声所淹没。 为了充分利用数据采集系统中转换器的满刻度分辨率，必须将这种微弱的电信号加以调?。 信号调?包括对信号的放大、滤波、隔离和线性化等。 本章主要对头盔冲击试验台中信号所需要的调?电?进?研究。 放大电?的设计放大器的选用信号的放大部分是信号调?的关键环节，其性能的好坏将直接影响到后续工作能否正常进?。 这节将对放大器进?探讨研究。 传感器信号的放大电?一般采用运放来实现，因为运放具有阻