一種新型微力傳感器設計

章曉明，劉曉東，班 炯，陳靖宇，顧小穩

(1.上海航天控制技術研究所，上海200233;2.同濟大學 機械與能源工程學院，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成微傳感器測試系統，這些特性使其可以應用于汽車、航空航天、電機、醫學、環境監測等廣闊領域。微力傳感器是最早開始研制的微機械產品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品，其原理是將力轉換成電信號輸出［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、穩定性變差等問題［3］。

本文利用電阻應變原理，設計了一種微力傳感器，該傳感器采用柱式結構，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，靜態特性良好。

1 微力傳感器結構

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

圖1 傳感器結構圖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，需對傳感器結構進行受力分析，用彈性元件的單位應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分析，主要物理參數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作用于結構或部件上引起的位移、應力、應變和力，忽略慣性和阻尼效應的影響［6］。傳感器承受縱向外力發生形變，通過靜力分析求解縱向應變量，傳感器應變云圖如圖2 所示。

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

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

圖3 傳感器模態分析縱向振型云圖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參數如表1所示，對傳感器進行靜態分析和模態分析的求解結果如表2所示。

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

表2 有限元靜力分析和模態分析求解結果Tab 2 Solution of static and modal analysis of finite element

3 傳感器靜態特性

測量裝置的靜態特性是在靜態測量情況下描述實際測量裝置與理想線性系統的接近程度，通過靜態標定實現［7］。傳感器的靜態標定是基于單一變量原則，利用標準設備產生已知的標準量，或用基準量來確定傳感器輸出量和輸入量之間關系的過程［8］。傳感器的靜態特性必須在靜態標準條件下進行標定，傳感器的靜態特性指標主要有線性度、重復性、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］。

靜態標定所用主要實驗裝置為YD—21 電阻應變儀和研華PCI—1711UL 數據采集卡。傳感器靜態標定實驗原理圖如圖4 所示。

圖4 傳感器靜態標定實驗原理圖Fig 4 Principle diagram of static calibration experiment of sensor

將砝碼置于傳感器上，應變電橋輸出相對應的電壓，應變儀進行信號調理，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，并將數據存至EXCEL。傳感器靜態標定的指標如表3 所示。

表3 傳感器靜態指標標定Tab 3 Static calibration of sensor

樣本數據表示為X，取容量N=1 000。雖然目前國內外傳感器的標定尚無統一標準，但數據處理總體方法和理論依據是一致的，一般取樣本的算術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 傳感器靜態標定擬合曲線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，則傳感器靜態指標如表4。

表4 傳感器靜態指標Tab 4 Static indicators of sensor

4 誤差分析

隨機誤差是在重復測量中按不可預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測量所得的平均值，隨機誤差等于誤差減去系統誤差。測試系統測試實驗中，近似認為傳感器靜態指標的隨機誤差服從正態分布［12］。

利用正態分布假設和最大似然估計法，對傳感器靜態指標的隨機誤差進行統計分析。傳感器靜態指標的隨機誤差統計分析參數如表5 所示。

表5 傳感器靜態指標的隨機誤差統計參數Tab 5 Random error statistics parameters of static indicators of sensor

5 結 論

1)設計了新型微力傳感器的結構，并對其彈性元件進行了有限元靜力分析和模態分析，傳感器彈性柱體的縱向應變量高于一般的力傳感器，靈敏度較高，適用于微力測量;固有頻率遠高于常見的外部動態力頻率，幾乎不會發生共振現象。

2)對微力傳感器進行了靜態標定，標定的靜態指標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;靜態特性良好。

3)對傳感器的靜態指標的隨機誤差進行的分析表明:傳感器的隨機誤差離散度小，傳感器靜態特性穩定，抗干擾能力強。

［1］ 張志禹，于文革.一種新型FBG 微力傳感器［J］.傳感器與微系統，2014(3):71-75.

［2］ 孫圣和.現代傳感器發展方向［J］.電子測量與儀器學報，2009，23(1):1-10.

［3］ 董大為.中國傳感器發展應用狀況分析［J］.射頻世界，2010(3):54-57.

［4］ 馬炳輝，盧澤生.小型微力傳感器的研制［J］.機械工程學報，2006(5):227-229.

［5］ 張洪信.有限元基礎理論與ANSYS 應用［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［6］ 李 霞，宋海堂.ANSYS 在機械設計中的應用［J］.計算機技術應用，2007(11):45-46.

［7］ Wang Jili，Jiang Li，Liu Hong.Auto static calibration of multi-axis force sensor based on triaxial accelerometer［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008(29):432-435.

［8］ 董健康，韓慶奎.線性壓力傳感器的靜態標定［J］.天津大學學報，1996，29(5):709-715.

［9］ 鄭瑋瑋，劉學觀，趙光霞.微壓力傳感器參數設計及靈敏度分析［J］.儀表技術與傳感器，2011(7):15-17.

［10］王志勝，王道波，蔡宗琰.傳感器標定的統一數據處理方法［J］.傳感器技術，2004，23(3):46-47.

［11］關石菡.數理統計在數據分析中的應用研究［J］.林區教學，2011(6):87-88.

［12］廖念釗.互換性與技術測量［M］.北京:中國質檢出版社，2012.