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1、电阻应变式压力传感器的研究在工程应变测量试技术中，应变测量仪器的设计与开发一直是一个热门课题。阻应变片 测量方法是获取应变试验数据的一种基本传统手段，阯应变式传感器是应用最广泛的传感器 之一。将电阻应片粘贴在各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、灰力 等各种参数的电附应变式传感器。电附应变片的灵敏系数K系指电阻应变片粘贴于试件表 面，在其轴线方向上的单向应力作用下，屯阯片的阻值相对变化勾试件表面上贴装电阻应变 八区域的轴向应变之比,K值的准确性将直接影响测虽精度。在实际检测中苦不能满足K值 的定义条件，就会产生测暈误差。本文提出了 一种基于单晶硅材料的柱式电阻应变式压力传 感器
2、。实验中，将应变什分别轴hd、环句和斜45粘在弹性元件上，实验发现轴hd灵敏度 敁小，环向敁高。同时此种材料的电阻应变式ik力传感器的不仅线性好而且重性和稳定性 较好，实际应用中可根据灵敏度耍求选择粘接位置和方式。这种结构传感器结构简单，性能 稳定能在恶劣环境和高温高压油气井环境K可翁工作。当圆柱体的轴向受压缩力F作川吋，沿阀柱体轴叫和环向的应变为.式中，ex岡柱体轴向应变；e e圆柱体环向应变；A一圆柱体的横截而积（m2）;E材料的弹性模兒（Pa）;P材料的泊松比。这种元件与轴承不同角度a的截面上所产生的应力、应变是不相等的，在轴线方向上的 应力应变最人。为了比较个方14上的应变的人小，引入
3、灵敏度结构系数P的概念，没柱应变的一般表达为：对于实际的应变Pf ,其应变效应可以描述为：式中，C应变片的横向灵敏度，其反映了横向应变对 应变片输岀的影响，一般由实验方法来确定Kx和Ky。在实际应用中，应变片在粘贴时不可能完全与圆柱体的轴向何环向重合，这也将应起测量灵敏度误差，当沿环向粘贴的应 变片与环14奋P 1角的偏差时（即与阑柱体的轴昀奋90+31的火角），则该位置的皮变片感 受 到 的 应 变 为： ffi,弹性后效及弹性蠕变小等良好的温度特性柯弹性特性，因此K适合作为高精密、高稳定 性的传感器材料。放变什我们选用的是型号为BX120-2AA、电阻值为120Q、灵敏度系数为 2.19,
4、工作温度在-30C60C的电阻应变计。其中将应变片分别沿轴向、环向、斜45粘 贴在圆柱管体的外壁，在粘接之前应加适当的预应力，以保证粘接牢固，M时粘接时应该严 格遵守应变计的粘贴工艺1，否则粘接的不准确性将直接影响测兒结果的准确性。最P将 管子放入汕压罐中进行应变实验测景。实验采川逐步加压，由0 MP开始，每次加压幅度 为1MP，斜粘接时所得实验数据拟合曲线。然后逐步降至OMP。由于油压罐本身限制，压 力加到40MP。在实验中，分别将应变厂f沿轴向、环向、斜45粘贴在圆柱管体上。每次 测景前，都要先对电阻应变仪数进行调零，在实验室中环境温度稳定，测暈装S运行良好, 测量数裾可靠、有效图1、图2
5、、图3分别为轴IN、环hdF j2=(sin/y, - /cos-/?,)类似当沿轴叫粘贴的应变片与轴叫有P 2角的偏差时,该位置的应变 片感受到的应变为 三、应变实验测量实验中，将屯阻应变片粘贴在单品硅圆柱管体外壁，圆柱管的两端为单晶硅堵尖，用环 氧树脂胶粘贴，实验中我们将应变R粘在管上，山于此种材料不仅具有强度高、抗冲击韧性 好等良好的机械性能，同吋它的弹性模景小且稳定、材料的线膨胀系数小、耐商温和弹性滞Pi-FAE(cos2 / sin )升压 降压 线性（降压） 线性（升压） 54图I应变片轴向粘接响应曲线-一升压 -降压 线性（降压） 线性（升压）图2应变片环向粘接响应曲线 系列1
6、-2线性（系列1）线性（系列2）图3应变片斜45。粘接响应曲线四、实验结果和分析从上而所示阁中我们讨以看到，轴|4、环向和斜粘接三种情况下，其应变灵敏度（即拟 合直线的斜率）分别为0.0063pe/MP、0.0141p e/MP和0.0095p e/MP。可以看出环向 应变灵敏度敁大，轴向敁小，跟理论值相差不大，产生误差主要是由于以下儿个原因：（1）屯阻应变片贴粘方位不准确是造成应变测量误差的主耍原因3。实际测量中被 侧力不可能刚好沿若柱体的轴线或者环向准确的粘接，总是与轴线或环向有一定的微小角度 这就使得帅.性柱体除受纵M力作川外还受到横A力和弯矩的作川，从而影响测量灵敏度的变 误差。现场测
7、:W:时电阻灰变片贴装不准确将直接影响测:ft结果的准确性；由十电阻成变片粘 贴不准确所产牛的测暈误差约占力传感器测景误差的5%10%，分析研究电附应变片粘贴 方位偏差所造成的测量误差及其变化规律对实际测蛍以及力传感器的设计制造是十分有意 义的。（2）温度变化可能对电阻值有影响，引起电阻的变化，因此最好对其进行温度补偿， 提高测量精度。本文提出丫一种电阻应变压力传感密封型结构，这种材料的传感器不仅结构简单同时封 装和粘接工艺也要求较低，同吋性能稳定，能在恶劣环境和高温高压汕气并环境下可靠工作。 在实验中，分别将应变片沿轴向、环向、斜45粘贴发现环向应变灵敏度最大，轴向最小, 且响皮特性较好，线
8、性拟合度和重复性也特别好，测景误差也较小。实验证明这种材料在光 传感领域存实际的应用价位。微变电容式传感器的设计与应用在边境线、狱墙等需要安全防范的特殊场合，因为需要防范的区域较大，而且不立暴露 传感器安装位置.常见的红外、微波和超声等无线传感器极易受外界环境的影响，误检和漏 检率均较人，不适合在上述特殊区域的安全防范中放用利用同轴电缆为敏感器件的传感器， 具有布防方便、检测准确等优点利川同轴电缆的分布电界对外力敏感的特性设计了一种微变 电容式传感器.由于在传感器微变电容式传感器的设计l.i基木原理因为同轴电缆的分布电各与分布电感比较均匀且稳定，其特性阻抗基本保持不变.同轴电缆 的分布电界为的
9、整个工作过程中，分布电祚的变化错与分布电稃木身的位相比非常小，因此r_ 念/xL h(z)2JD.r称该传感器为微变电容式传感器分布屯感为L= z式中为同轴电缆长度；X为填充介质的介电常数;D1为芯线直径;D2为屝蔽网的内径;_为填充介质的磁异率;_0为真空磁异率4.同轴电缆的分布电容与电感除与其长度成正比外，还与屏蔽网的内径和形状密切相关. 当M轴电缆足够长时，其分布电感均比较大；此时外力引起的同轴电缆变形只会引起分布电 界和分布电感的微小变化.因为分布电界与分布电感的变化趋势相反，在设汁该传感器时， 为丫突出分布电容对传感器性能的影响，要在同轴电缆的芯线.I:中接一个较人的电感，使分 布电
10、感的变化率远远小于分布电容的变化率.M轴电缆的特性阻抗为Z=L/C ln(D2/D 1) _0/X,其大小与长度无关，局部变形的同轴电缆的D 2和D 1的变化明显.当外力使同轴 电缆局部变形吋，其特性阻抗局部变化景较人没计的微变电界式传感器的原理框图如图1 所示.该传感器由同轴电缆、M低频信号分离电路、窈频特性检测电路、低频特性检测电路 和嵌入式系统等组成.频特性检测电路监测同轴电缆特性附抗的变化，而低频特性监测电 路则监测M轴电缆分布电容的变化，两屯路相互补充完成对M轴电缆的局部变形的监测和 定位.*w.#ttp,分离屯鷉厂U 校-4 IVA-TLTU, To5伸吟竹抢鹰电路1. 2低频特性
11、检测低频特性检测电路的核心是低频LC振荡器.该振荡器以同轴电缆的分布电稃 为谐振电容，以分布电感为谐振电感；在同轴电缆没侖局部变形吋，振荡器的谐振频率比较 稳定，其振荡频率为7, 8f 0= 1. V( 2nLC)= 1. V nl_X/ln(D 2 /D 1).为了使振荡频率具有可控 性且消除分布电感的变化对传感器性能的影响，在具体应用时，可以在同轴电缆的芯线处串 联一较人的电感L;此吋，分布电感的作川可以忽略不记，低频振荡器的输出频率变为9f0= 1. v（ 2nLC） 1. J/2nlLX/ln（D2/D 1.经验表明,fo在1lOOkH z时传感器的性能比较稳定.由低频振荡器产生的低频
12、信号经放人整形r:输出到嵌入式系统的计数器输入端.嵌入式 系统依据计数器测得的低频振荡器的振荡频率，延时约10 s后，控制压控振荡器，使鉴相器 的输出为0.当外力使|uj轴电缆变形时，因D 2与D 1的比值改变，低频振荡器的输Hi频率 产生微小变化.外力的频率分:ft远远小于低频振荡器的谐振频率f,且远远人于0. 1H z.此 吋鉴相器的输出值为振荡频率的二次微分，即h=df/d2t.该电路的检测灵敏度很岛，对同 轴电缆的分布电容的微小变化比较敏感.因为在该电路中采用Y对振荡频率的延吋跟踪技术， 而同轴电缆因外界环境或性能改变而引起的频偏是0. 1H z的慢变化，对检测结果儿乎不会 产卞任何影
13、响.当同轴电缆受到人为触碰、踩压吋，同轴电缆的分布电界会产生微小的变化, 当鉴相器的输出超过一定限位时，传感器的低频特性检测电路将输出丌关朵报警信号7】.1.3 高频特性检测为了消除高频信号在同轴电缆的远端产生的反射，一般在同轴电缆的远端接 一匹配阻抗.由高频信号发生器产生的900MHz的高频信号经100H z的脉冲信号调制后输 出到同轴电缆，高频信兮传输到同轴电缆的远端后，被匹配阻抗吸收转挽为热能.当同轴电 缆的某处受外力而变形吋，局部特性阻抗发生变化，形成驻波比人于0的驻波点，商频信号 产生强反射.反射回高低频倌号分离电路的频倌号乂会产生反射.高频信号在同轴电缆中 传输时，能fi逐渐哀减.
14、由高低频信号分离电路耦合到放人混频电路的卨频信号的持续时间 和幅度除与同轴电缆受外力的人小杏关外，还与外力所处的位置有密切的关系.混频后的高 频信号经低频滤波电路的作用后，输出携带外力位置的脉冲信号.该脉冲信号与原调制脉冲 相比产中了较人的畸变.为了提取同轴电缆受力后局部变形的空间位S,利川嵌入式系统对 携带外力信息的低频脉冲信号进行处理，得到如图2所示的信号频谱/ 4（112在该频谱图中，f低于2 kH z时的频i普的形状与原调制信兮的频i普的形状相似.脉冲畸变引 起的信号频谱的变化主要表现是：在3kHz到5M Hz频段内会出现一个与驻波点位S密切 相关的较人峰位.该峰位的频率f0除与驻波点
15、位置有关外，还与同轴电缆的品质、M低频 信号分离电路的特性等冇关.经大的测试证明，在对传感器进行校正后，f只与驻波点位置 （即M轴屯缆受力位置）有足且f与驻波点和高低频信号分离电路之间的距离d呈 非线性关系.在lm d lkm吋,f2= K /d2+ P,其中K为与Ml轴电缆品质相关的常数，P为与 传感器的电路相关的常数.嵌入式系统采川ARM 9处理器S3C2410作为主处理器，工作频率 为203MHz.为了与常用的仪表通信，配备了 RS485 口和USB 口.采用uC linux为系统的 操作系统，FFT、距离运兑和传感器的控制均由S3C2410完成.该传感器木身具冇较强的信号 处理能力，它可以作为一个单独的报警装置使用，完成某些场合的报警功能；也可与K他仪 表或微机配合使用，完成对微弱作用力、受力位置、电缆故障位置等被测量的监测.它可以 广泛应用于国境线防偷渡、监狱狱墙防越狱、埋设电缆故障定位、重耍道口车流量检测等多 种场合6.2微变电容式传感器应用实例将微变电容式传感器应用于边境线布防或狱墙报警系统中时，不需要对问轴电缆进行特殊 的保护，只耑进行伪装.将微变电矜式传感器的同轴电缆敏感器布没于狱墙内侧的甲从中得 了较好的效果.微变电容式传感器对天气等环境条件不敏感
