一种组合压力传感器的阻尼系数选择研究学位论文

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1、 本科毕业论文题 目：一种组合压力传感器的阻尼系数选择研究内蒙古工业大学本科毕业论文摘 要测力传感器是传感器技术中的一个重要分支，它跨计算机、自动控制、机械、电子等多个学科。目前，越来越多的测力传感器已应用到工业、农业、国防、航空航天、医学等众多领域。这些应用对测力传感器的测量范围以及测量精度提出了更高的要求。现有的大量程压力传感器在测量小范围压力时精度不高而小量程的压力传感器精度高却不满足测量范围。压力传感器是测力传感器的一种，在工程中有广泛的应用，传感器也可以认为是由质量，阻尼，弹簧组成的测量系统。上述三个参数的合理选择对其动态力测量的品质有着至关重要的影响。本题目在已有一款组合型压力传感

2、器的基础上，对其中的大量程传感器。仿真研究该传感器阻尼系数对其动态测量性能的定量关系，选出最优的阻尼参数。关键词：压力传感器，组合结构，动量测量，阻尼参数AbstractForce sensor is an important branch in the technological field of the sensor. It refers to computer sicence , automation, mechanism, electronic science. At present, more and more various kinds of force sensor are in

3、troduced into many application situation , such as industry ,agriculture, national defense, aerospace, medicine, etc. High demands on measurement range and measurement accuracy of force sensor are put forward by these applications. The high precision cant obtained using the large rang pressure senso

4、rs in small measure bound, the small rang pressure sensor is beyond measurement range. Pressure sensor is a kind of sensors, In engineering is widely used, Sensors can also considered by quality, damping, spring composition of measuring system, The above three parameters of the reasonable selection

5、of the quality of its dynamic force measuring have a critical impact, This title of a combination has been the basis of pressure sensor, Process in which a large number of sensorsThe simulation research of its damping coefficient of the sensor measured dynamic performance quantitative relationship,

6、Select the optimal damping parameters.Key words：Pressure sensor，Composite structures，Momentum measurement，Damping parameters。目 录第一章 绪 论11.1 传感器介绍11.2 课题的意义21.3 本课题的研究背景21.3.1 传感器发展概况21.3.2 压力传感器国内外发展状况31.4 传感器的性能指标51.5 实验测试软件介绍61.6 本课题研究的主要内容6第二章 压力传感器介绍72.1 应变式力传感器的概述72.2 电阻应变式传感器工作原理72.3 应变式测力传感器结

7、构82.4 传感器的测量电路10第三章 MATLAB简介12第四章 实验过程及结果处理144.1实验器材：144.2 实验说明144.3 实验过程及结果分析16第五章 结论与展望355.1 结论355.2 展望35参 考 文 献36谢 辞38第一章 绪 论1.1 传感器介绍现代社会的科学技术高度发达，人类已进入瞬息万变的信息时代。在工业生产和科学实验等活动中，人们主要是对信息进行获取、开发、传输和处理，而传感器正处于测试的接口位置，是研究的主要对象，是感知、获取和检测信息的窗口，提供给系统进行决策和处理所必需的原始数据。一切的科学实验和生产过程，特别是在自动监测和自动控制系统中要获取信息，都要

8、通过传感器转换为容易传输与处理的信号。传感器特点是对原始参数进行精确可靠的测量，灵敏地感受被测量，把感受到的被测量精确地转换成电信号，使其与其他高精确度的仪表和装置组合起来，达到最佳显示与控制数据的目的12传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理，按照一定的工艺和结构研制出来的，因此传感器组成的细节有较大差异。但是总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成，如图1-1所示。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受或响应出的信息转换成适于传输或测量的电信号的部分。信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录

9、、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电路通常是电源3。图1-1 传感器的组成框图在实际工程应用中，以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的另一种量的测量装置称作是传感器。它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等，它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电，但主要是电量。1.2 课题的意义自从人类研制出了第一个传感器以后，传感器就开始显示出了它极大的生命力。但是进入20世纪90年代以来，由于具有单一测量功能的传感器应用趋向饱和，而许多生活和工程中需要传感器适用于各种测量和检测等，从而促使传感器技术获得较为迅速的发展。无论是从国际

10、或国内的角度来看，复苏和继续发展传感器产业的一条重要途径就是开发各种测量范围的传感器，提高传感器的性能，扩大其功能和应用领域。测力传感器用途广泛，它们在工业、农业、国防、航空航天、医学等众多领域都得到了广泛的应用，是传感器家族中极为重要的一个部分3。力是物理及工程科学中的一个重要的物理量之一，在科学实验及工程技术中，由于量程和精度要求的差异，对力的测量元器件也提出了各种各样的要求。压力传感器是一种测量压力的装置，在工程中有广泛的应用，传感器也可以认为是由质量，阻尼，弹簧组成的测量系统。上述三个参数的合理选择对其动态力测量的品质有着至关重要的影响。本题目在已有一款组合型压力传感器的基础上，仿真研

11、究该传感器阻尼系数对其动态测量性能的定量关系，选出最优的阻尼参数.1.3 本课题的研究背景1.3.1 传感器发展概况传感器技术是当今世界令人瞩目且高速发展的的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。无论是在日常生活，还是工业生产领域中，每一项技术的革新几乎都离不开传感器。近百年来，传感器的发展大致经历了以下三个阶段6：（1）传统型；（2）集成传感器/ 控制器；（3）智能型传感器。美国二十世纪八十年代早期就宣称世界已经进入传感器时代，日本则把传感器技术和计算机、通信、半导体、激光、超导技术并列为世界六大核心技术，因而就有了支配了传感器技术就能够支配新时代这一说法。世界上发达国家对开发传

12、感器技术都十分重视。我国的传感器技术的研究是从20世纪60年代开始的，在“科学技术就是第一生产力”的思想的指导下，各项科学技术取得了迅速的发展，传感器技术和传感器制造业也受到各方面的重视。改革开放三十年来，我国的传感器技术及其产业取得了很大的进步，主要表现在：“七五”期间，国家把机敏、力敏、气敏等作为主要研究方向；“九五”和“十五”期间，传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩，敏感元件和传感器成为重点发展的新型特种电子产品；建立传感器技术的国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室等研究基地；2007年传感器业总产量达到二十多亿只，品种规格已有近六千种，并已在国民经济各部门和国防建

13、设中得到一定的应用；我国八十年代末就将传感器列入国家高新技术发展的重点，经过“八五”、“九五”和“十五”的攻关和产业化建设，目前全国已有2000多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用。但由于经济水平和生产、研发资金等条件的限制，我国传感器技术总体水平还是相对比较落后，规模和应用领域都比较小。在所有类型传感器中，压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、工作稳定可靠、成本低等优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、压强的测量与控制。压力传感器已成为各类传感器技术最成熟、性能比最高的一类传感器。由于单一型传感器应用范围窄，新型传感器的开发和应用则成为现代传感器技术的核心和关键问题，它也将

14、成为21世纪信息产业新的经济增长点之一79。1.3.2 压力传感器国内外发展状况从压力传感器的发展来看，大致可分为三个阶段14。第一阶段是探索阶段，将力转换为物理量的探索阶段，如将力转换成电信号等方法的研究。此间先后出现了机械式、电阻应变式、电感式等的压力传感器，这类测力传感器结构简单、方便；第二阶段是静态力测试研究的阶段，此阶段研究的压力传感器要利用弹性体的变形来获得对力的感应，这就使力敏元件的刚度和灵敏度之间的矛盾成为研究者致力研究的关键；第三阶段动态力的测试与研究阶段，作为这个阶段的代表就是压电式测力传感器。1945年史密斯发现了硅与锗的压阻效应，依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片

15、粘在金属薄膜上，即将力信号转化成电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm4。随着微机械加工技术和微电子技术的发展，国际上压力传感器技术方面开展了许多探索性的研究工作，研究中沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料技术和微电子技术，从传统的结构设计转向微机械加工工艺的微结构设计，压力传感器技术取得了长足的发展。目前国内外常用的力传感器主要有以下几种形式：（1）应变式工作原理是应变片贴在弹性元件表面，当弹性元件受到力的作用产生变形时，应变片随之产生变形，从而引起其阻值的变化。下图中的拉压力传感器就是电阻应变片式传感器，其精度、可靠性高，应用范围广16。图1-2（a）PPM225-LS1拉

16、压力传感器是S型的，其抗侧向力和抗冲击力系性要比图1-2（b）图的PPM226-LS2拉压力传感器好很多，而且S1型的安装方便，互换性也好。(a) (b) PPM225-LS1拉压力传感器 PPM226-LS2拉压力传感器图1-2应变式力传感器（2）压阻式压阻式测力传感器利用单晶硅材料的压阻效应，在半导体的基片上经扩散电阻而制成的器件。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路得到正比于力变化的电信号输出。压阻式测力传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、应变、流量、真空度）的测量和控制17。其优点是分辨率高、尺寸小、滞后和蠕变小，响应频率高

17、，适合动态测量。图1-3为一种压阻式力传感器。 图1-3 压阻式力传感器（3）压磁式压磁式传感器的敏感元件由铁磁材料制成，它把作用力（如弹性应力、残余应力）的变化转换成导磁率的变化，并引起绕于其上的线圈的阻抗或电动势的变化，从而感应出电信号。压磁式传感器是一种新型传感器，它的优点是输出功率大、信号强、牢固可靠、抗干扰性好、过载能力强。缺点是测量精度不很高、频响较低18。图1-4为压磁式测力称重传感器。图1-4 压磁式称重传感器（4）压电式压电式传感器是利用某些电介质材料在受到外力的作用下产生极化现象而做成的。具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、重量轻、测量范围广等优点1920。随着电

18、荷放大器的成功研制与应用，压电传感器逐渐地被应用于机械量的测量之中。图1-6就是压电式测力传感器。图1-6 压电式测力传感器目前，工程中应用最为广泛的就是应变式压力传感器，它具有精度高、性能稳定可靠、结构简单、坚固耐用等优点。但是与其它测力传感器相比，要提高应变式压力传感器的精度比较困难，尤其是在较大量程段和较小量程段，提高测量精度更不容易。在国外，由于对固态压阻式压力传感器的温度性能处理得较好，可以采用灵敏度高、体积小的固态压阻式压力传感器测量大量程范围和小量程范围。而在国内，所生产的固态压阻式压力传感器的温度性能往往难以达到要求，对于大量程段和小量程段的高精度测量一般采用应变式压力传感器2

19、119。1.4 传感器的性能指标在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。1.5 实验测试软件介绍测试的软件系统是DHDAS信号测试分析系统软件，DHDAS信号测试分析系统软件主要功能：参数设置模式（设置系统参数，通道参数等），显示模块（光标显示，窗口显示，

20、图形显示），信号分析模块（数据预处理，频谱分析.频响分析，幅值分析，相关分析，索力计算，风洞计算，桩基检测，应变花计算等）。传感器标定模块（静态标定等）1.6 本课题研究的主要内容1熟悉组合型压力传感器的工作原理。2熟练掌握MATLAB软件平台中的动态系统仿真模块。3建立压力传感器的力学模型（假设一个二阶弹簧-质量-阻尼系统）4根据测得的动态特性指标计算出在二阶系统假设下的相关参数。给出传感器的最佳阻尼系数。第二章 压力传感器介绍2.1 应变式力传感器的概述 由弹性元件、电阻应变片等组成的传感器叫做应变式传感器。应变式传感器能够用来测量力、压力及加速度等量。而用来测量力的应变式传感器就称为应变

21、式力传感器。应变式力传感器已经在冶金、电力、交通、生物化学、石化以及国防等部门得到了广泛应用。应变式压力传感器是利用应变变化进行负荷测量的传感器，主要用于测量动态压力。目前这种传感器占负荷传感器的95%以上。与其他类型的传感器相比有以下特点226：（1）测量范围广，测力范围已达0.05N107N；（2）测量精度高；（3）使用寿命长，工作性能稳定可靠，输出特性的线性度好；（4）结构简单、尺寸小、重量轻；（5）响应频率高，适合测量动态过程；（6）环境适应能力强，可以在高温、高压、振动核辐射及化学腐蚀很严重的恶劣环境下工作。2.2 电阻应变式传感器工作原理 电阻应变片的工作原理是基于金属电阻丝的电阻

22、应变效应。用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随其发生相应的变化，同时，应变片电阻也发生相应变化27。这种关系可以用下式表示，即 （2-1）式中的K0为材料的应变系数，为应变片的应变值。从式（2-1）中可知，当K0为定值时，只要测得 的值，就可以得到相应的值。然后根据求得应力的大小。其中E为弹性模量。在应变式传感器中，经常是将四个应变片成对的横向或者纵向粘贴在弹性元件上，这样应变就可以感受到弹性元件上的压缩和拉伸变形。将四个应变片接成某种形式的电桥电路，这样就可以从电桥的输出中得出应变量大小，从而根据应变量与外力的关系得出作用在弹性元件上外力F的大小2。2.

23、3 应变式测力传感器结构（1）梁式结构图2-1示意几种常见的梁式弹性体的结构形式。国内外不论是拉式结构还是压式结构都基本采用这种梁式弹性体作为敏感元件，梁式弹性元件大部分是悬臂梁式，悬臂梁是一端固定，一端自由的弹性元件2。它的结构简单、加工方便、应变和位移较大。此结构的传感器量程范围一般集中在21000kg，主要应用在称重、电子平台秤中。其中图2-1（a）中数字部分是应变片贴片区。（a） （b） 两端固定梁 S式梁constrained beam beam in S type （c） （d） 双连孔式悬臂梁 双连扁孔式悬臂梁 cantilever beam in two-hole cantil

24、ever beam in two flat pins 图2-1梁式结构（2）板环式结构图2-2所示的是板环结构传感器敏感元件部分，国内早期板环弹性体4只用于拉式传感器。近年来，由于工艺成熟，板环结构被用于压式传感器。板环式拉压力传感器具有抗偏、抗弯、抗扭能力，动态响应能力要比梁式结构好。图2-2 板环式结构（3）柱式结构图2-3所示的是柱式传感器的结构。尽管这种弹性体结构的传感器在不采取线性补偿，非线性误差较大。结构本身并不具有抗偏、抗扭的能力，但这种传感器有很高的抗冲击能力，而且这种柱式结构在国内来说，工艺成熟、加工方便、重复误差、滞后误差小等优点2829。图2-3（a）所示的是柱式弹性体结

25、构的应变分布示意图。图2-3（c）所示为香港产的AUTO-CFBHZ-B 系列的柱式称重传感器。(a) （b） （c） 图2-3 柱式传感器结构图 （4）轮辐式图2-4 是轮辐式弹性体结构。轮辐式力传感器与传统的拉压式传感器相比 ,具有精度高、滞后小、重复性好、抗偏心载荷能力强、结构高度最小、重量轻等优点 ,因此这种传感器在大、中量程测量方面有着广泛的应用，并具有良好的市场前景。在大量程时，常因支撑的刚度不够而造成较大的滞后误差，加上加工工艺较为复杂，多用于电子汽车秤，料斗秤等3031。 图2-4 轮辐式弹性体结构图（5）复合弹性体结构随着加工工艺的日益成熟，弹性体的结构也越来越多样化。（a）

26、 （b） 双量程测力传感器结构示意图32 三量程测力传感器结构示意图32（c） 双量程测力传感器结构示意图33 图2-5 2.4 传感器的测量电路传感器的测量电路就是将电阻应变片的变化转为电压的输出。因为惠斯登电桥电路具有可抑制温漂的影响和抑制干扰等优点，被各种应变式传感器所应用。电桥电路根据电桥工作臂的不同组合可分为半桥单臂、半桥双臂和全桥三种工作方式。全桥臂由于各臂的参数一致，干扰影响相互抵消，与其他两种臂比较，具有灵敏度高、受干扰小。MCL拉压力传感器所采用的是全桥工作方式。图2-6 传感器测量电路图MCL拉压力传感器采用弹性体作为敏感元件，高精度电阻应变片作为转换元件，将应变片粘帖在被

27、测弹性体上。应变电阻的变化是通过四臂电桥转化为电压的变化。根据电桥工作原理25，将粘帖在应变梁上的四个应变片电阻连接桥路如图2-10所示，虚线的部分为传感器本体，内部连线已接好。3，4端接供桥电压，1,2端为输出。在测量应力的时候，当试件受力变形时，电桥失去平衡，从输出端获得一个与外力成正比的电压信号。第三章 MATLAB简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多

28、科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 图3-1matlab开发工作界面MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要

29、比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。本次主要运用的是MATLAB直接调入根据DHDAS信号测试分析系统软件得到的振动时间和频域图像的数据，然后调用几个函数得到幅频和相位图然后计算出每个图像的传感器刚度系数，阻尼，质量等信息，然后进一步得出弹簧-质量-阻尼模型，得

30、到二阶二自由度的振动传递函数最后运用MATLAB仿真图像软件仿真得到时间频域图像，看是否与实验得到的图像一致，并根据相关理论调整阻尼的大小来改变传感器的动态特性，提出改进措施。第四章 实验过程及结果处理4.1实验器材：小球，圆筒，PPM225-LS1拉压力传感器，DHDAS信号测试分析系统。如下图实验器材 图4-14.2 实验说明本次动态测试实验采用的是50N的PPM225-LS1型的拉压力传感器，如下图拉压力传感器 图4-250N的PPM225-LS1型的拉压力传感器主要技术指标：量 程: 10,20,30,50,100 N输 出: 1.5 mV/V 或 05V,15V,010mA,420m

31、A非 线 性: 0.030.1 % FS滞 后: 0.030.1 % FS不重复性: 0.030.1 % FS温 漂: 0.0030.01 % FS/零位输出: 2 % FS激励电压: 10V 或 12V,15V,24V(DC)工作温度: -2080过载能力: 150% FS根据传感器形状可以看出能把此系统等价为如下振动系统，二阶振动系统 图4-34.3 实验过程及结果分析连接好pc机和PPM225-LS1拉压力传感器，和DHDAS信号测试分析系统，然后用小球在固定高度分别为10cm，15cm，20cm，由圆筒内做自由落体运动冲击传感器，由DHDAS信号测试分析系统得到时间频域图像。然后通过码

32、头喇叭软件的动态系统仿真模块进行傅里叶变换，得到振动的振幅和相位。本次实验共做了三组，小球高度分别为10cm，15cm，20cm，每组用相同的激励力冲击组合型传感器，每组做五次实验，得到的时间频域图像，横坐标为时间（ms），纵坐标为长度(m)，图像为：第一组第一次：时间频域图 图4-4用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图，幅频图横坐标为时间（ms），纵坐标为频率（kHZ），相位图横坐标为ms/s,总坐标为频率（HZ），图像分别为：幅频图 图4-5相位图 图4-6根据理论 （4-1） 机械系统的谐振角频率 （4-2）是系统阻尼的量度。通称为系统的品质因数， 值越大，阻尼越小。对于一个完全无阻

33、尼的系统，而对于一个临界阻尼系统，。实际上，的近似值是由测量响应曲线在半功率点的宽度来得到的，半功率点是曲线上：处得点。如果宽度是，则： （4-3）响应和激励之间的相位滞后关系给出如下： （4-4）M+C+KX=F(t) X=X=X (4-5)Mq+Cq+KX q=F(t) (4-6)Mq+Cq+KXq=F(t) (4-7)=Mqq+Cqq+KqXq其中，Mq=M，Kq=K。 (4-8)Mq+Cq+KXq=F(t) (4-9)Mq+Cq+KXq=F(t) (4-10)M= = 式中= 是根据此系统为二阶二自由度系统相关理论得出的将m装换成主坐标系下的M得到M1=0.6 M2=0.6根据测量得到

34、=0.0167 0=0.375根据公式（4-3）得到Q1=23.44 根据公式（4-1）得到k1=0.0844根据公式（4-2）得到c1=0.011同理得到Q,弹簧弹性系数k，阻尼c：Q1=23.44 k1=0.0844 c1=0.011Q2=60 k2=0.6 c2=0.01第一组第二次：时间频域图 图4-7用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-8相位图 图4-9得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=4.4058 k1=0.08082 c1=0.058Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第一组第三次：时间频域图 图4-10用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为

35、：幅频图 图4-11相位图 图4-12得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=111.212 k1=0.08082 c1=0.000021Q2=60 k2=0.6 c2=0.01第一组第四次：时间频域图 图4-13用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-14相位图 图4-15得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=14.68 k1=0.08082 c1=0.0175Q2=120.5 k2=0.6 c2=0.005第一组第五次：时间频域图 图4-16用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-17相位图 图4-18得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=21.97

36、 k1=0.08082 c1=0.012Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第二组第一次：时间频域图 图4-19用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-20相位图 图4-21得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=4.4058 k1=0.08082 c1=0.058Q2=120.5 k2=0.6 c2=0.005第二组第二次：时间频域图 图4-22用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-23相位图 图4-24得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=14.68 k1=0.08082 c1=0.0175Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第二组第三次

37、：时间频域图 图4-25用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-26相位图 图4-27得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=21.97 k1=0.08082 c1=0.012Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第二组第四次：时间频域图 图4-28用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-29相位图 图4-30得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=14.68 k1=0.08082 c1=0.0175Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第二组第五次：时间频域图 图4-31用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-32相位图 图4-3

38、3得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=23.44 k1=0.0844 c1=0.011Q2=60 k2=0.6 c2=0.01第三组第一次：时间频域图 图4-34用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-35相位图 图4-36得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=14.68 k1=0.08082 c1=0.0175Q2=60 k2=0.6 c2=0.01第三组第二次：时间频域图 图4-37用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-38相位图 图4-39得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=44.22 k1=0.08082 c1=0.0058Q2=120.

39、5 k2=0.6 c2=0,005第三组第三次：时间频域图 图4-40用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-41相位图 图4-42得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=21.47 k1=0.08082 c1=0.012Q2=120 k2=0.6 c2=0.005第三组第四次：时间频域图 图4-43用MATLAB软件模拟得到的幅频和相位图为：幅频图 图4-44相位图 图4-45得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=4.4058 k1=0.08082 c1=0.058Q2=30.3 k2=0.6 c2=0.02第三组第五次：时间频域图 图4-46用MATLAB软件模拟得到的

40、幅频和相位图为：幅频图 图4-47相位图 图4-48得到的Q，弹簧弹性系数k，阻尼为：Q1=111.212 k1=0.08082 c1=0.000021Q2=120.5 k2=06 c2=0.005由于数据量和实验器材，操作手段的误差等问题，现对各组阻尼等数据进行方差计算，以筛选出最好的一组数据，根据方差大小得出第二组数据是最好，最接近实际情况的，以后的MATLAB仿真也以第二组为准。根据第二组得到平均值C1=0.0232 C2=0.012根据以上图形可以看出此传感器为二阶二自由度阻尼振动系统，关于激励力的问题，由于没有冲击载荷加载器，所以采用用小球在固定高度自由落体冲击传感器，由于小球冲击过

41、程中和传感器表面的接触时间并不知道，所以我们假设冲击为单位脉冲。将根据图像得到的阻尼，质量，弹性刚度等数值进行主坐标系下的变换，以便为下面的MATLAB模拟仿真打下基础。根据相位图可以看出传感器上下两部分的质量都为总质量的1/3,为0.3kg进行主坐标系下的转换计算得到：M1=0.6 M2=0.6 K1=0.081 K2=0.6 C1=0.0232 C2=0.012MATLAB仿真程序A=M1 C1 K1=0.6 0.0232 0.081 主坐标系下的一阶主系统的参数 B=1 单位激励脉冲 impulse(B,A) MATLAB平台下的单位脉冲激励仿真函数将B,A代入impulse(B,A)得

42、到如下仿真图像图4-49MATLAB仿真程序A=M1 C1 K1=0.6 0.012 0.6 设定主坐标系下的二阶主系统的参数 B=1 设定单位激励脉冲 impulse(B,A) MATLAB平台下的单位脉冲激励仿真函数将B,A代入impulse(B,A)得到如下仿真图像图 4-50在不改变一阶主系统的M，K和单位激励力的情况下减小阻尼系数下面我们取C3=0.O065 MATLAB仿真程序得到如下仿真图像图4-51根据得到的图像可以看出若减小阻尼，会使图像收敛时间增加，振幅增大，也就是说如是阻尼减小，材料刚度情况更好，对外界的压力做出更长时间的反应，而且图像更对称，更符合理论情况。在不改变一阶

43、主系统的M，K和单位激励力的情况下增大阻尼系数取C4=0.05得到如下仿真图像图4-52可以看出如果阻尼太大的话得到图像并不好，而且阻尼太大也不符合时间情况，所以在实际情况下，阻尼越小，传感器的性能越好第五章 结论与展望5.1 结论压力传感器是一种测量压力的装置，在工程中有广泛的应用，传感器也可以认为是由质量，阻尼，弹簧组成的测量系统。上述三个参数的合理选择对其动态力测量的品质有着至关重要的影响本文在阅读大量文献的基础上, 熟悉应变式测力传感器之后，仿真研究该传感器阻尼系数对其动态测量性能的定量关系，选出最优的阻尼参数。得出结论 减小阻尼，会使图像收敛时间增加，振幅增大，也就是说如是阻尼减小，

44、材料刚度情况更好，对外界的压力做出更长时间的反应，而且图像更对称，更符合理论情况。但如果阻尼太大的话得到图像并不好，而且阻尼太大也不符合时间情况，所以在实际情况下，尽可能的情况下阻尼越大，传感器的性能越好。5.2 展望由于实验器材，实验手段，信号传递，理论情况等造成本文由许多不完善的地方，PPM225-LS1拉压力传感器的质量分布并不一定就是按照上下两部分都是1/3质量分布，激励力不一定是单位脉冲，但由于实验器材缺失，时间仓促，不能够做找到一个有理论解的问题所对应的高度实验，来得到本次实验确切的激励是多少，只好当做单位脉冲。还有最后的仿真模拟，由于时间有限，不能知道到底确切阻尼的大小是多少，是

45、一个转折点，超过这个点传感器的准确度会变小，小于这个点阻尼越大传感器状况越好，本文根据时间频域图像得到系统为二阶二自由度系统，实际上，还可能是更高阶高自由度的问题，本文予以忽略，本文是在已有一款组合型压力传感器的基础上，对其中的大量程传感器进行仿真研究，由于小量程传感器的损毁，本文未予研究，若是有条件，本文会继续研究。综上若是去除以上误差，得到的结果可能会更理想。参 考 文 献1 樊尚春传感器技术及应用M北京：北京航空航天大学出版社，20042 孙宝元，杨宝清传感器及其应用手册M北京：机械工业出版社，20043 孙建民，杨清梅传感器技术M北京：北京交通大学出版社，20054 冯冠平，陆惫荣传感

46、器技术的发展与展望J测控技术1992，17(3)：32-355 刘迎春传感器原理、设计与应用M北京：国防科技大学出版社，19896 郭冰，王冲压力传感器的现状与发展J中国仪器仪表2009，(5)：72-767 LIUGUANGYUThe State of The Art and The Future of SensorsJMeasure And Control Teehnology1999，65(18)：l-48 内蒙古工业大学压力传感器P中国发明专利9 KRISHACETCA smart Gas Sensor for Monitoring Environmental Changesin Cl

47、osed Systems Results from The MIRSPaee StationJSensors and Actuators2002，55(34)：118-12610 森林正直，山歧弘郎著传感工程学M孙宝元译大连：大连工学院出版社，198811 白韶红光纤压力传感器的发展J工业仪表与自动化装置1990，(2)：11-1212 张书玉，张维连，张生才等高温压力传感器的研究现状J仪表技术与传感器2002，19(6)：6-813 刘永刚，李兵，穆建军带不锈钢隔膜的硅压阻压力传感器J遥测遥控1998，19(1)：23-2714 孙宝元，钱敏，张军一种新型径向测力轴承传感器的研制C第四届全国

48、敏感元件与传感器学术会议论文集，上海，1995，515 Luis Rieardo Castro，Pascal vieville and Paul LIPinskiCorreetion of dynamie effects on force measurements made with Piezoeleetric dynamometersJInternational Journal of Maehine Tools & Manufaeture2006，(46)：1707-171516 张琦，陈世海，李新娥等基于最小二乘法的应变式传感器测试数据处理及分析J应用科技2009，36(8)：29-311

49、7 王健，揣荣岩等多晶硅纳米薄膜压阻式压力传感器J仪表技术与传感器2009，(9)：6-818 贾振元，卢晓红，王福吉等压磁式测力传感器重复特性实验J仪表技术与传感器2009，(6)：4-719 张玉山，元虎堂压电式传感器的准静态校准J计量与测试技术2009，36(1)：33-3420 李克勤大力值测试技术的现状与展望J湖北工业大学学报2006，21(3)：66-6721 于炜，杨梅，湛华海低量程高精度应变式压力传感器研制J实验流体力学2009，4(23)：6922 刘鸿文材料力学M北京：高等教育出版社，199223 屈洁，张梦军内弹道实验中压力测试系统的精度分析J火炮发射与控制学报2009，

50、(1)：72-7624 王云章电阻应变式传感器应用技术M北京：中国计量出版社，199325 陶宝琪电阻应变式传感器M北京：国防工业出版社，199326 李庆忠负荷传感器检定测试技术M北京：中国计量出版社，199027 刘笃仁，韩宝君传感器原理及应用技术M西安：西安电子科技大学出版社，200328 刘九卿柱式称重传感器的非线性误差及其线性补偿J科技应用2004，33(2)：629 杨培林高精度电子天平设计与研究D成都：成都理工大学硕士学位论文2004：9-1330 李国俊轮辐式力传感器结构优化分析J传感器与微统2006，25(2)：1431 朱晔，周伯伟，顾荣等关于轮辐式剪切力传感器的研制与设计

51、J机械设计与制造工程2002，31(4)：87-8932 哈尔滨工业大学多量程测力传感器P中国发明专利CN85104807A1986-08-0633 北京理工大学双量程测力传感器P中国发明专利CN2086900C1991-10-1谢 辞时光如箭，转眼间，四年的大学生活即将结束。本文的研究工作是在导师李海滨教授的悉心指导和关心下完成的，从论文的选题及研究，从资料的收集到构思，从思路的形成到实验，一步一步的进展，一点一滴的收获都倾注着导师的大量心血。导师严谨的治学态度，丰富、扎实且渊博的知识，活跃而开阔的学术思想，开拓创新的精神以及豁达的人生观深深影响着我。同时感谢段志信老师，谦虚诚恳的为人，宽以待人的作风，永远是我学习的榜样，这些将使我终身受益。这篇论文的顺利完成，凝聚了导师的大量心血。对导师的感激之情难用语言来表达，在此，我对导师李海滨教授表示由衷的感谢！在这里我还要感谢力学系各位给予我支持和帮助的老师和实验室的伙伴们，是你们共同营造了舒适的环境和快乐的学习气氛，谢谢你们。最后我要深深地感谢过年来支持我学习的父母和亲人，他们的关怀是我前进动力的源泉，我会用最优异的成绩来报答他们。38