位移传感器的设计与系统标定综合实验

位移传感器的设计与系统标定综合实验

马杭

（上海大学理学院力学系，上海200436）

An experiment by design and system calibration of displacement sensor

for purpose of teaching

Ma Hang

(Department of Mechanics, College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200436)

摘要：本文介绍了新开发的综合型教学实验——位移传感器的设计及位移测试系统的标定实验的主要内容。进行该项实验，要求学生灵活应用所学的知识，得到动手、动脑的综合训练，进一步巩固和掌握所学知识并通过实验获取新的知识和能力，了解传感器这一科学研究与工程测量中重要器件的设计与制造的一般过程，起到举一反三的效果。

关键词：位移传感器，双悬臂梁，电阻应变计，电测，系统标定

传感器是科学实验与工程测量中常用的测量器件，用来把相关的物理量如温度、压力、浓度、载荷等转变成具有确定对应关系的电量输出，以满足对于信息的记录、显示、传输、存储、处理以及控制的要求。传感器种类繁多，发展日新月异，是实现自动测量与控制的第一个环节，在生产实践和科学研究的各个领域中发挥着极其重要的作用。以电测技术为基础的传感器是各类传感器中最常见的一类，结合力学类专业的学习特点以及本实验室的条件，我们设计开发了位移传感器的设计及位移测试系统的标定实验，并给我校力学专业的本科生和研究生进行了开设。

本实验要进行设计和制作的传感器是一种双悬臂梁式位移传感器（也叫引伸计），用于测量亚毫米级的微小位移，它利用电阻应变计作为敏感元件，利用钛合金微梁作为弹性元件，并利用电桥作为基本测量电路，利用静态数字电阻应变仪作为放大与输出仪器，这些元件和仪器与记录仪器共同组成了位移测试系统，可以实现对静态小位移的测量。

实验的主要内容有三个，分别为传感器的设计、制作和标定。传感器的设计也分为三个部分，即结构设计、组桥设计和理论灵敏度的计算。如图1所示，从结构设计方面说，当给定了测量范围或量程（即刀口移动的距离）以后，首先要考虑的问题是结构的形式和尺寸，其次要考虑的是弹性元件的材料选择、受力和材料的工作范围。传感器的受力至少应当能够

维持自重，但又不应当太大（尽量减少对被测对象的干扰），弹性元件的材料必须工作在弹性的范围并有足够的安全系数。为了满足上述各项要求，结构尺寸参数往往需要多次反复核算才能最后确定下来。对于教学实验来说，从零开始进行结构设计显然是不现实的，我们在本实验中要求学生思考如果要设计引伸计，需要考虑那些问题，并根据已有的结构尺寸和弹性元件的材料性能，计算允许的引伸计测量范围以及受力大小，事实上是进行了引伸计结构设计的最后一步校核计算。要完成这一步工作，需要复习材料力学中关于悬臂梁的强度与变形计算的内容，通过灵活应用所学的知识，温故而知新。

图1 双悬臂梁式位移传感器的结构

从引伸计的组桥设计方面说，有单臂、半桥、全桥等多种方案可供选择，组桥设计属于电测应力分析的主要内容，这些内容也是要求同学们复习掌握的。不同的组桥方案不仅影响引伸计的灵敏度，也直接涉及实验的工作量，只有动手能力很强的同学才有可能选择全桥方案。一旦确定了结构设计和组桥设计方案，引伸计理论上的灵敏度就确定了。引伸计的理论灵敏度的计算需要综合运用材料力学和电测应力分析两方面的知识，理论计算的结果将为实验分析提供参照和分析比较的基础。

实验的第二项内容是传感器的制作，主要是动手能力的培养。具体步骤有：电阻应变计的选配、钛合金微梁表面的清理、贴片、贴引线板、引线焊接、电阻与短路绝缘检查等等。这一步工作的要求是细致耐心、心平气和，通过动手操作获得知识、经验和能力。虽然第二项实验的内容是以动手为主，但同学们如果能在操作之前对引伸计的整体布置以及可能遇到的问题或困难认真思考一下，操作过程与结果将大不一样。事实上，动手与动脑是人类活动不可分割的两个方面。

实验的第三项内容是位移传感器系统的标定。依标定的性质不同，可分为器件标定和系

统标定两类，器件标定是确定传感器的实际灵敏度、线性度等品质参数的实验过程，而系统标定则是确定包含传感器、放大器和记录器在内的整个测试系统的输入（位移信号）输出关系的实验过程，由于测试系统的各个环节特别是传感器的特性随着时间以及温度的变化有可能产生漂移，因此系统标定往往是许多实验测试中特别是重要实验中首先要进行一项重要工作。尽管器件标定和系统标定二者的概念有所不同，但由于在本实验中采用了静态电阻应变仪作为放大器，所以本实验中两类标定在事实上又是相同的。

图2 位移传感器标定的系统框图

标定的系统如图2所示，当使用标定器给出系列标准位移后，系统给出相应的输出数据并记录，将对应的输入输出数据进行一元线性回归，即可获得系统特性参数。回归直线的斜率为输入输出的比例，相关系数反映系统（主要是引伸计）的线性度，标准差反映引伸计以及实验的质量。如前所述，由于采用了静态电阻应变仪作为放大器，输入输出的比例也就是位移传感器的灵敏度，通过灵敏度的理论计算值与实验测定值的比较，一方面可以分析误差的来源，另一方面可以进一步加深对标定实验的重要性的认识和理解。需要注意的是，灵敏度的理论计算值受到引伸计结构尺寸的测量以及应变计的贴片质量等因素的影响，并不能将理论计算值当作“精确值”来看待。

虽然在科学实验与工程测量中使用的传感器种类繁多，原理与结构的复杂程度千差万别，但是传感器的应用都离不开设计、制作和标定三个环节。我们在思考题中提出“如果要设计一个简易的应变计式拉力或者压力传感器，应当如何着手”的目的就是希望学生通过本次实验能够举一反三，获得更大的收获。

参考文献

1．张如一，陆耀桢：实验应力分析，北京：机械工业出版社，1981年。