传 感 器 的 感 想
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，阻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、压力等各种参数的电阻应变式传感器。电阻应变片的灵敏系数 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，电阻片的阻值相对变化与试件表面上贴装电阻应变片区域的轴向应变之比，K 值的准确性将直接影响测量精度。在实际检测中若不能满足 K 值的定义条件，就会产生测量误差。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。实验中，将应变片分别轴向、环向和斜 45°粘在弹性元件上，实验发现轴向灵敏度最小，环向最高。同时此种材料的电阻应变式压力传感器的不仅线性好而且重复性和稳定性较好，实际应用中可根据灵敏度要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下可靠工作。
当圆柱体的轴向受压缩力 F 作用时，沿圆柱体轴向和环向的应变为：
式中，εx——圆柱体轴向应变；
εθ——圆柱体环向应变； A—圆柱体的横截面积（m2）； E—材料的弹性模量（Pa）； μ—材料的泊松比。
这种元件与轴承不同角度α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
大。为了比较个方向上的应变的大小，引入灵敏度结构系数β的概念，设柱应变的一般
表达为：对于实际的应变片，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
应变片输出的影响，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向有β1角的偏差时（即与圆柱体的轴向有 90+β1的夹角），则该位置的应变片感受到的应变为：
类似当沿轴
向粘贴的应变片与轴向有β2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，将电阻应变片粘贴在单晶硅圆柱管体外壁，圆柱管的两端为单晶硅堵头，用环氧树脂胶粘贴，实验中我们将应变片粘在管上，由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，同时它的弹性模量小且稳定、材料的线膨胀系数小、耐高温和弹性滞
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后、弹性后效及弹性蠕变小等良好的温度特性何弹性特性，因此其适合作为高精密、高稳定性的传感器材料。应变片我们选用的是型号为 BX120-2AA、电阻值为120?、灵敏度系数为 2.19，工作温度在-30°C～60°C 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，同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量结果的准确性。最后将管子放入油压罐中进行应变实验测量。实验采用逐步加压，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 0 MP。由于油压罐本身限制，压力加到40MP。在实验中，分别将应变片沿轴向、环向、斜 45°粘贴在圆柱管体上。每次测量前，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，测量装置运行良好， 测量数据可靠、有效图 1、图 2、图 3 分别为轴向、环向
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四、实验结果和分析
从上面所示图中我们可以看到，轴向、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 0.0063με/MP、 0.0141με/MP 和 0.0095με/MP。可以看出环向应变灵敏度最大，轴向最小，跟理论值相差不大，产生误差主要是由于以下几个原因：
（1） 电阻应变片贴粘方位不准确是造成应变测量误差的主要原因[3]。实际测量中被侧力不可能刚好沿着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弹性柱体除受纵向力作用外还受到横向力和弯矩的作用，从而影响测量灵敏度的变 误差。现场测量时电阻应变片贴装不准确将直接影响测量结果的准确性；由于电阻应变片粘贴不准确所产生的测量误差约占力传感器测量误差的 5%～10%，分析研究电阻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量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。
本文提出了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，同时性能稳定，能在恶劣环境和高温高压油气井环境下可靠工作。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， 且响应特性较好，线性拟合度和重复性也特别好，测量误差也较小。实验证明这种材料在光传感领域有实际的应用价值。
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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, 而且不宜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, 误检和漏检率均较大, 不适合在上述特殊区域的安全防范中应用利用同轴电缆为敏感器件的传感器, 具有布防方便、检测准确等优点利用同轴电缆的分布电容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 1. 1基本原理
因为同轴电缆的分布电容与分布电感比较均匀且稳定, 其特性阻抗基本保持不变. 同轴电缆的分布电容为的整个工作过程中, 分布电容的变化量与分布电容本身的值相比非常小, 因此
称该传感器为微变电容式传感器分布电感为
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为屏蔽网的内径;_ 为填充介质的磁导率; _0为真空磁导率
[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. 当同轴电缆足够长时, 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容和分布电感的微小变化. 因为分布电容与分布电感的变化趋势相反, 在设计该传感器时, 为了突出分布电容对传感器性能的影响, 要在同轴电缆的芯线上串接一个较大的电感, 使分布电感的变化率远远小于分布电容的变化率. 同轴电缆的特性阻抗为 Z=L /C≌ ln(D 2 /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时, 其特性阻抗局部变化量较大设计的微变电容式传感器的原理框图如图 1所示. 该传感器由同轴电缆、高低频信号分离电路、高频特性检测电路、低频特性检测电路和嵌入式系统等组成. 高频特性检测电路监测同轴电缆特性阻抗的变化, 而低频特性监测电路则监测同轴电缆分布电容的变化, 两电路相互补充完成对同轴电缆的局部变形的监测和定位.
1. 2
低频特性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容为谐振电容, 以分布电感为谐振电感; 在同轴电缆没有局部变形时, 振荡器的谐振频率比较稳定, 其振荡频率为*7, 8+f 0= 1. 1/( 2πLC)= 1. 1/ *πl_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大的电感 L; 此时, 分布电感的作用可以忽略不记, 低频振荡器的输出频率变为[9]f
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