【文章內(nèi)容簡介】 （ 21） 式中的 K0為材料的應(yīng)變系數(shù)， ? 為應(yīng)變片的應(yīng)變值。從式（ 21）中可知，當(dāng) K0為定值時，只要測得 RR/? 的值，就可以得到相應(yīng)的 ? 值。然后根據(jù) ?? E? 求得應(yīng)力 ? 的大小。其中 E 為彈性模量。在應(yīng)變式傳感器中，經(jīng)常是將四個應(yīng)變片成對的橫向或者縱向粘貼在彈性元件上，這樣應(yīng)變就可以感受到彈性元件上的壓縮和拉伸變形。將四個應(yīng)變片接成某種形式的電橋電路，這樣就可以從電橋的輸出中得出應(yīng)變量大小，從而根據(jù)應(yīng)變量與外力的關(guān)系得出作用在彈性元件上外力 F的大小 [2]。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 應(yīng)變式測力傳感器結(jié)構(gòu) （ 1）梁式結(jié)構(gòu) 圖 21 示意幾種常見的梁式彈性體的結(jié)構(gòu)形式。國內(nèi)外不論是拉式結(jié)構(gòu)還是壓式結(jié)構(gòu)都基本采用這種梁式彈性體作為敏感元件，梁式彈性元件大部分是懸 臂梁式，懸臂梁是一端固定，一端自由的彈性元件 [2]。它的結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應(yīng)變和位移較大。此結(jié)構(gòu)的傳感器量程范圍一般集中在 2~1000kg，主要應(yīng)用在稱重、電子平臺秤中。其中圖 21（ a）中數(shù)字部分是應(yīng)變片貼片區(qū)。 （ a） （ b） 兩端固定梁 S 式梁 constrained beam beam in S type （ c） （ d） 雙連孔式懸臂梁 雙連扁孔式懸臂梁 cantilever beam in twohole cantilever beam in two flat pins 圖 21 梁式結(jié)構(gòu) （ 2）板環(huán)式結(jié)構(gòu) 圖 22 所示的是板環(huán)結(jié)構(gòu)傳感器敏感元件部分，國內(nèi)早期板環(huán)彈性體 [4]只用于拉式傳感器。近年來，由于工藝成熟，板環(huán)結(jié)構(gòu)被用于壓式傳感 器。板環(huán)式拉壓力傳感器具有抗偏、抗彎、抗扭能力，動態(tài)響應(yīng)能力要比梁式結(jié)構(gòu)好。 圖 22 板環(huán)式結(jié)構(gòu) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 （ 3）柱式結(jié)構(gòu) 圖 23 所示的是柱式傳感器的結(jié)構(gòu)。盡管這種彈性體結(jié)構(gòu)的傳感器在不采取線性補(bǔ)償，非線性誤差較大。結(jié)構(gòu)本身并不具有抗偏、抗扭的能力，但這種傳感器有很高的抗沖擊能力，而且這種柱式結(jié)構(gòu)在國內(nèi)來說，工藝成熟、加工方便、重復(fù)誤差、滯后誤差小等優(yōu)點(diǎn) [28][29]。圖 23（ a）所示的是柱式彈性體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布示意圖。圖23（ c）所示為香港產(chǎn)的 AUTOCFBHZB 系列 的柱式稱重傳感器。 (a) （ b） （ c） 圖 23 柱式傳感器結(jié)構(gòu)圖 （ 4）輪輻式 圖 24 是輪輻式彈性體結(jié)構(gòu)。 輪輻式力傳感器與傳統(tǒng)的拉壓式傳感器相比 ,具有精度高、滯后小、重復(fù)性好、抗偏心載荷能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)高度最小、重量輕等優(yōu)點(diǎn) ,因此這種傳感器在大、中量程測量方面有著廣泛的應(yīng)用 ， 并具有良好的市場前景。 在大量程時，常因支撐的剛度不夠而造成較大的滯后誤差，加上加工工藝較為復(fù)雜，多用于電子汽車秤，料斗秤等 [30][31]。 圖 24 輪輻式彈性體結(jié)構(gòu)圖 （ 5）復(fù)合彈性體結(jié)構(gòu) 隨著加工工藝的日益成熟，彈性體的結(jié)構(gòu)也越來越多樣化 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 （ a） （ b） 雙量程測力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 [32] 三量程測力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 [32] （ c） 雙量程測力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 [33] 圖 25 傳感器的測量電路 傳感器的測量電路就是將電阻應(yīng)變片的變化轉(zhuǎn)為電壓的輸出。因?yàn)榛菟沟请姌螂娐肪哂锌梢种茰仄挠绊懞鸵种聘蓴_等優(yōu)點(diǎn)，被 各種應(yīng)變式傳感器所應(yīng)用。電橋電路根據(jù)電橋工作臂的不同組合可分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋三種工作方式。全橋臂由于各臂的參數(shù)一致，干擾影響相互抵消，與其他兩種臂比較，具有靈敏度高、受干擾小。 MCL 拉壓力傳感器所采用的是全橋工作方式。 R 2R 1R 4R 3R ZR IR S調(diào)零R S接 地42135 圖 26 傳感器測量電路圖 MCL 拉壓力傳感器采用彈性體作為敏感元件，高精度電阻應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件，將應(yīng)變片粘帖在被測彈性體上。應(yīng)變電阻的變化是通過四臂電橋轉(zhuǎn)化為電壓的變化。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 根據(jù)電橋工作原理 [25]，將粘帖在應(yīng)變梁上的四個 應(yīng)變片電阻連接橋路如圖 210 所示，虛線的部分為傳感器本體，內(nèi)部連線已接好。 3， 4 端接供橋電壓， 1,2 端為輸出。在測量應(yīng)力的時候，當(dāng)試件受力變形時，電橋失去平衡，從輸出端獲得一個與外力成正比的電壓信號 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 第三章 MATLAB 簡介 MATLAB 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng) 域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在 數(shù)值計(jì)算 方面首屈一指。 MATLAB 可以進(jìn)行 矩陣 運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、 圖像處理 、 信號檢測 、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 圖 31 matlab 開發(fā)工作界面 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 13 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn) ,使 MATLAB 成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C++， JAVA 的支持。可以直接調(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 本次主要運(yùn)用的是 MATLAB 直接調(diào)入根據(jù) DHDAS 信號測試分析系統(tǒng)軟件得到的振動時間和 頻域圖像的數(shù)據(jù)，然后調(diào)用幾個函數(shù)得到幅頻和相位圖然后計(jì)算出每個圖像的傳感器剛度系數(shù)，阻尼，質(zhì)量等信息，然后進(jìn)一步得出彈簧 質(zhì)量 阻尼模型，得到二階二自由度的振動傳遞函數(shù)最后運(yùn)用 MATLAB 仿真圖像軟件仿真得到時間頻域圖像，看是否與實(shí)驗(yàn)得到的圖像一致，并根據(jù)相關(guān)理論調(diào)整阻尼的大小來改變傳感器的動態(tài)特性，提出改進(jìn)措施。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 第四章 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果處理 實(shí)驗(yàn)器材 ： 小球，圓筒， PPM225LS1 拉壓力傳感器， DHDAS 信號測試分析系統(tǒng) 。 如下圖 實(shí)驗(yàn)器材 圖 41 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 15 實(shí)驗(yàn)說明 本次動態(tài) 測試實(shí)驗(yàn)采用的是 50N 的 PPM225LS1 型的拉壓力傳感 器 ，如下圖 拉壓力傳感器 圖 42 50N 的 PPM225LS1 型的拉壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)： 量 程 : 10,20,30,50,100 N 輸 出 : mV/V 或 0～ 5V,1～ 5V,0～ 10mA,4～ 20mA 非 線 性 : ～ % F S 滯 后 : ～ % F S 不重復(fù)性 : ～ % F S 溫 漂 : ～ % F S/℃ 零位輸 出 : ≤ 2 % F S 激勵電壓 : 10V 或 12V,15V,24V(DC) 工作溫度 : 20～ 80℃ 過載能力 : 150% F S 根據(jù)傳感器形狀可以看出能把此系統(tǒng)等價為如下振動系統(tǒng) ， 二階振動系統(tǒng) 圖 43 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析 連接好 pc機(jī)和 PPM225LS1 拉壓力傳感器，和 DHDAS 信號測試分析系統(tǒng)，然后用小球在固定高度分別為 10cm， 15cm， 20cm，由圓筒內(nèi)做自由落體運(yùn)動沖擊傳感器，由 DHDAS 信號測試分析系統(tǒng)得到時間頻域圖像。然后通過 碼頭喇叭 軟件的動態(tài)系統(tǒng)仿真模塊進(jìn)行傅里 葉變換，得到振動的振幅和相位 。 本次實(shí)驗(yàn)共做了三組，小球高度分別為 10cm， 15cm， 20cm，每組用相同的激勵力沖擊組合型傳感器，每組做五次實(shí)驗(yàn)，得到的時間頻域圖像 ，橫坐標(biāo)為時間（ ms），縱坐標(biāo)為 長度 (μ m)，圖像 為： 第一組第一 次 ： 時間頻