1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一種組合壓力傳感器的阻尼系數選擇研究畢業一種組合壓力傳感器的阻尼系數選擇研究 本科畢業論文題 目：一種組合壓力傳感器的阻尼系數選擇研究5摘 要測力傳感器是傳感器技術中的一個重要分支，它跨計算機、自動控制、機械、電子等多個學科。目前，越來越多的測力傳感器已應用到工業、農業、國防、航空航天、醫學等眾多領域。這些應用對測力傳感器的測量范圍以及測量精度提出了更高的要求?，F有的大量程壓力傳感器在測量小范圍壓力時精度不高而小量程的壓力傳感器精度高卻不滿足測量范圍。壓力傳感器是測力傳感器的一種，在工程中有廣泛的應用，

2、傳感器也可以認為是由質量，阻尼，彈簧組成的測量系統。上述三個參數的合理選擇對其動態力測量的品質有著至關重要的影響。本題目在已有一款組合型壓力傳感器的基礎上，對其中的大量程傳感器。仿真研究該傳感器阻尼系數對其動態測量性能的定量關系，選出最優的阻尼參數。關鍵詞：壓力傳感器，組合結構，動量測量，阻尼參數AbstractForce sensor is an important branch in the technological field of the sensor. It refers to computer sicence , automation, mechanism, electronic

3、 science. At present, more and more various kinds of force sensor are introduced 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 applicatio

4、ns. The high precision cant obtained using the large rang pressure sensors 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 m

5、easuring system, The above three parameters of the reasonable selection 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 coefficien

6、t of the sensor measured dynamic performance quantitative relationship, Select the optimal damping parameters.Key words：Pressure sensor，Composite structures，Momentum measurement，Damping parameters。目 錄第一章 緒 論11.1 傳感器介紹11.2 課題的意義21.3 本課題的研究背景21.3.1 傳感器發展概況21.3.2 壓力傳感器國內外發展狀況31.4 傳感器的性能指標51.5 實驗測試軟件介紹6

7、1.6 本課題研究的主要內容6第二章 壓力傳感器介紹72.1 應變式力傳感器的概述72.2 電阻應變式傳感器工作原理72.3 應變式測力傳感器結構82.4 傳感器的測量電路10第三章 MATLAB簡介12第四章 實驗過程及結果處理144.1實驗器材：144.2 實驗說明154.3 實驗過程及結果分析16第五章 結論與展望355.1 結論355.2 展望35參 考 文 獻36謝 辭38第一章 緒 論1.1 傳感器介紹現代社會的科學技術高度發達，人類已進入瞬息萬變的信息時代。在工業生產和科學實驗等活動中，人們主要是對信息進行獲取、開發、傳輸和處理，而傳感器正處于測試的接口位置，是研究的主要對象，是

8、感知、獲取和檢測信息的窗口，提供給系統進行決策和處理所必需的原始數據。一切的科學實驗和生產過程，特別是在自動監測和自動控制系統中要獲取信息，都要通過傳感器轉換為容易傳輸與處理的信號。傳感器特點是對原始參數進行精確可靠的測量，靈敏地感受被測量，把感受到的被測量精確地轉換成電信號，使其與其他高精確度的儀表和裝置組合起來，達到最佳顯示與控制數據的目的12傳感器一般是利用物理、化學和生物等學科的某些效應或機理，按照一定的工藝和結構研制出來的，因此傳感器組成的細節有較大差異。但是總的來說，傳感器應由敏感元件、轉換元件和其他輔助部件組成，如圖1-1所示。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分，轉

9、換元件是指傳感器中能將敏感元件所感受或響應出的信息轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。信號調節電路是能把轉換元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。輔助電路通常是電源3。圖1-1 傳感器的組成框圖在實際工程應用中，以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的另一種量的測量裝置稱作是傳感器。它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等，它的輸出量是某種物理量，這種量應便于傳輸、轉換、處理、顯示等，它可以是氣、光、電，但主要是電量。1.2 課題的意義自從人類研制出了第一個傳感器以后，傳感器就開始顯示出了它極大的生命力。但是進入20世紀90年代以來，

10、由于具有單一測量功能的傳感器應用趨向飽和，而許多生活和工程中需要傳感器適用于各種測量和檢測等，從而促使傳感器技術獲得較為迅速的發展。無論是從國際或國內的角度來看，復蘇和繼續發展傳感器產業的一條重要途徑就是開發各種測量范圍的傳感器，提高傳感器的性能，擴大其功能和應用領域。測力傳感器用途廣泛，它們在工業、農業、國防、航空航天、醫學等眾多領域都得到了廣泛的應用，是傳感器家族中極為重要的一個部分3。力是物理及工程科學中的一個重要的物理量之一，在科學實驗及工程技術中，由于量程和精度要求的差異，對力的測量元器件也提出了各種各樣的要求。壓力傳感器是一種測量壓力的裝置，在工程中有廣泛的應用，傳感器也可以認為是

11、由質量，阻尼，彈簧組成的測量系統。上述三個參數的合理選擇對其動態力測量的品質有著至關重要的影響。本題目在已有一款組合型壓力傳感器的基礎上，仿真研究該傳感器阻尼系數對其動態測量性能的定量關系，選出最優的阻尼參數.1.3 本課題的研究背景1.3.1 傳感器發展概況傳感器技術是當今世界令人矚目且高速發展的的高新技術之一，也是當代科學技術發展的一個重要標志。無論是在日常生活，還是工業生產領域中，每一項技術的革新幾乎都離不開傳感器。近百年來，傳感器的發展大致經歷了以下三個階段6：（1）傳統型；（2）集成傳感器/ 控制器；（3）智能型傳感器。美國二十世紀八十年代早期就宣稱世界已經進入傳感器時代，日本則把傳

12、感器技術和計算機、通信、半導體、激光、超導技術并列為世界六大核心技術，因而就有了支配了傳感器技術就能夠支配新時代這一說法。世界上發達國家對開發傳感器技術都十分重視。我國的傳感器技術的研究是從20世紀60年代開始的，在“科學技術就是第一生產力”的思想的指導下，各項科學技術取得了迅速的發展，傳感器技術和傳感器制造業也受到各方面的重視。改革開放三十年來，我國的傳感器技術及其產業取得了很大的進步，主要表現在：“七五”期間，國家把機敏、力敏、氣敏等作為主要研究方向；“九五”和“十五”期間，傳感器技術研究取得了51個品種86個規格新產品的成績，敏感元件和傳感器成為重點發展的新型特種電子產品；建立傳感器技術

13、的國家重點實驗室、微米/納米國家重點實驗室等研究基地；2007年傳感器業總產量達到二十多億只，品種規格已有近六千種，并已在國民經濟各部門和國防建設中得到一定的應用；我國八十年代末就將傳感器列入國家高新技術發展的重點，經過“八五”、“九五”和“十五”的攻關和產業化建設，目前全國已有2000多家企事業單位從事傳感器的研制、生產和應用。但由于經濟水平和生產、研發資金等條件的限制，我國傳感器技術總體水平還是相對比較落后，規模和應用領域都比較小。在所有類型傳感器中，壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、工作穩定可靠、成本低等優點，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、壓強的測量與控制。壓力傳感器已

14、成為各類傳感器技術最成熟、性能比最高的一類傳感器。由于單一型傳感器應用范圍窄，新型傳感器的開發和應用則成為現代傳感器技術的核心和關鍵問題，它也將成為21世紀信息產業新的經濟增長點之一79。1.3.2 壓力傳感器國內外發展狀況從壓力傳感器的發展來看，大致可分為三個階段14。第一階段是探索階段，將力轉換為物理量的探索階段，如將力轉換成電信號等方法的研究。此間先后出現了機械式、電阻應變式、電感式等的壓力傳感器，這類測力傳感器結構簡單、方便；第二階段是靜態力測試研究的階段，此階段研究的壓力傳感器要利用彈性體的變形來獲得對力的感應，這就使力敏元件的剛度和靈敏度之間的矛盾成為研究者致力研究的關鍵；第三階段

15、動態力的測試與研究階段，作為這個階段的代表就是壓電式測力傳感器。1945年史密斯發現了硅與鍺的壓阻效應，依據此原理制成的壓力傳感器是把應變電阻片粘在金屬薄膜上，即將力信號轉化成電信號進行測量。此階段最小尺寸大約為1cm4。隨著微機械加工技術和微電子技術的發展，國際上壓力傳感器技術方面開展了許多探索性的研究工作，研究中沿用傳統的作用原理和某些新效應，優先使用晶體材料技術和微電子技術，從傳統的結構設計轉向微機械加工工藝的微結構設計，壓力傳感器技術取得了長足的發展。目前國內外常用的力傳感器主要有以下幾種形式：（1）應變式工作原理是應變片貼在彈性元件表面，當彈性元件受到力的作用產生變形時，應變片隨之產

16、生變形，從而引起其阻值的變化。下圖中的拉壓力傳感器就是電阻應變片式傳感器，其精度、可靠性高，應用范圍廣16。圖1-2（a）PPM225-LS1拉壓力傳感器是S型的，其抗側向力和抗沖擊力系性要比圖1-2（b）圖的PPM226-LS2拉壓力傳感器好很多，而且S1型的安裝方便，互換性也好。(a) (b) PPM225-LS1拉壓力傳感器 PPM226-LS2拉壓力傳感器圖1-2應變式力傳感器（2）壓阻式壓阻式測力傳感器利用單晶硅材料的壓阻效應，在半導體的基片上經擴散電阻而制成的器件。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，通過測量電路得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻式測力傳感器用于壓力、拉力、

17、壓力差和可以轉變為力的變化的其他物理量（如液位、加速度、應變、流量、真空度）的測量和控制17。其優點是分辨率高、尺寸小、滯后和蠕變小，響應頻率高，適合動態測量。圖1-3為一種壓阻式力傳感器。 圖1-3 壓阻式力傳感器（3）壓磁式壓磁式傳感器的敏感元件由鐵磁材料制成，它把作用力（如彈性應力、殘余應力）的變化轉換成導磁率的變化，并引起繞于其上的線圈的阻抗或電動勢的變化，從而感應出電信號。壓磁式傳感器是一種新型傳感器，它的優點是輸出功率大、信號強、牢固可靠、抗干擾性好、過載能力強。缺點是測量精度不很高、頻響較低18。圖1-4為壓磁式測力稱重傳感器。圖1-4 壓磁式稱重傳感器（4）壓電式壓電式傳感器是

18、利用某些電介質材料在受到外力的作用下產生極化現象而做成的。具有使用頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、重量輕、測量范圍廣等優點1920。隨著電荷放大器的成功研制與應用，壓電傳感器逐漸地被應用于機械量的測量之中。圖1-6就是壓電式測力傳感器。圖1-6 壓電式測力傳感器目前，工程中應用最為廣泛的就是應變式壓力傳感器，它具有精度高、性能穩定可靠、結構簡單、堅固耐用等優點。但是與其它測力傳感器相比，要提高應變式壓力傳感器的精度比較困難，尤其是在較大量程段和較小量程段，提高測量精度更不容易。在國外，由于對固態壓阻式壓力傳感器的溫度性能處理得較好，可以采用靈敏度高、體積小的固態壓阻式壓力傳感器測量大量程

19、范圍和小量程范圍。而在國內，所生產的固態壓阻式壓力傳感器的溫度性能往往難以達到要求，對于大量程段和小量程段的高精度測量一般采用應變式壓力傳感器2119。1.4 傳感器的性能指標在檢測控制系統和科學實驗中，需要對各種參數進行檢測和控制，而要達到比較優良的控制性能，則必須要求傳感器能夠感測被測量的變化并且不失真地將其轉換為相應的電量，這種要求主要取決于傳感器的基本特性。傳感器的基本特性主要分為靜態特性和動態特性。動態特性是指檢測系統的輸入為隨時間變化的信號時，系統的輸出與輸入之間的關系。主要動態特性的性能指標有時域單位階躍響應性能指標和頻域頻率特性性能指標。1.5 實驗測試軟件介紹測試的軟件系統是

20、DHDAS信號測試分析系統軟件，DHDAS信號測試分析系統軟件主要功能：參數設置模式（設置系統參數，通道參數等），顯示模塊（光標顯示，窗口顯示，圖形顯示），信號分析模塊（數據預處理，頻譜分析.頻響分析，幅值分析，相關分析，索力計算，風洞計算，樁基檢測，應變花計算等）。傳感器標定模塊（靜態標定等）1.6 本課題研究的主要內容1熟悉組合型壓力傳感器的工作原理。2熟練掌握MATLAB軟件平臺中的動態系統仿真模塊。3建立壓力傳感器的力學模型（假設一個二階彈簧-質量-阻尼系統）4根據測得的動態特性指標計算出在二階系統假設下的相關參數。給出傳感器的最佳阻尼系數。第二章 壓力傳感器介紹2.1 應變式力傳感器

21、的概述 由彈性元件、電阻應變片等組成的傳感器叫做應變式傳感器。應變式傳感器能夠用來測量力、壓力及加速度等量。而用來測量力的應變式傳感器就稱為應變式力傳感器。應變式力傳感器已經在冶金、電力、交通、生物化學、石化以及國防等部門得到了廣泛應用。應變式壓力傳感器是利用應變變化進行負荷測量的傳感器，主要用于測量動態壓力。目前這種傳感器占負荷傳感器的95%以上。與其他類型的傳感器相比有以下特點226：（1）測量范圍廣，測力范圍已達0.05N107N；（2）測量精度高；（3）使用壽命長，工作性能穩定可靠，輸出特性的線性度好；（4）結構簡單、尺寸小、重量輕；（5）響應頻率高，適合測量動態過程；（6）環境適應能

22、力強，可以在高溫、高壓、振動核輻射及化學腐蝕很嚴重的惡劣環境下工作。2.2 電阻應變式傳感器工作原理 電阻應變片的工作原理是基于金屬電阻絲的電阻應變效應。用應變片測量應變或應力時，在外力作用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨其發生相應的變化，同時，應變片電阻也發生相應變化27。這種關系可以用下式表示，即 （2-1）式中的K0為材料的應變系數，為應變片的應變值。從式（2-1）中可知，當K0為定值時，只要測得 的值，就可以得到相應的值。然后根據求得應力的大小。其中E為彈性模量。在應變式傳感器中，經常是將四個應變片成對的橫向或者縱向粘貼在彈性元件上，這樣應變就可以感受到彈性元件上的壓縮和拉伸變形

23、。將四個應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變量大小，從而根據應變量與外力的關系得出作用在彈性元件上外力F的大小2。2.3 應變式測力傳感器結構（1）梁式結構圖2-1示意幾種常見的梁式彈性體的結構形式。國內外不論是拉式結構還是壓式結構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。它的結構簡單、加工方便、應變和位移較大。此結構的傳感器量程范圍一般集中在21000kg，主要應用在稱重、電子平臺秤中。其中圖2-1（a）中數字部分是應變片貼片區。（a） （b） 兩端固定梁 S式梁constrained beam be

24、am in S type （c） （d） 雙連孔式懸臂梁 雙連扁孔式懸臂梁 cantilever beam in two-hole cantilever beam in two flat pins 圖2-1梁式結構（2）板環式結構圖2-2所示的是板環結構傳感器敏感元件部分，國內早期板環彈性體4只用于拉式傳感器。近年來，由于工藝成熟，板環結構被用于壓式傳感器。板環式拉壓力傳感器具有抗偏、抗彎、抗扭能力，動態響應能力要比梁式結構好。圖2-2 板環式結構（3）柱式結構圖2-3所示的是柱式傳感器的結構。盡管這種彈性體結構的傳感器在不采取線性補償，非線性誤差較大。結構本身并不具有抗偏、抗扭的能力，但這種

25、傳感器有很高的抗沖擊能力，而且這種柱式結構在國內來說，工藝成熟、加工方便、重復誤差、滯后誤差小等優點2829。圖2-3（a）所示的是柱式彈性體結構的應變分布示意圖。圖2-3（c）所示為香港產的AUTO-CFBHZ-B 系列的柱式稱重傳感器。(a) （b） （c） 圖2-3 柱式傳感器結構圖 （4）輪輻式圖2-4 是輪輻式彈性體結構。輪輻式力傳感器與傳統的拉壓式傳感器相比 ,具有精度高、滯后小、重復性好、抗偏心載荷能力強、結構高度最小、重量輕等優點 ,因此這種傳感器在大、中量程測量方面有著廣泛的應用，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雜，

26、多用于電子汽車秤，料斗秤等3031。 圖2-4 輪輻式彈性體結構圖（5）復合彈性體結構隨著加工工藝的日益成熟，彈性體的結構也越來越多樣化。（a） （b） 雙量程測力傳感器結構示意圖32 三量程測力傳感器結構示意圖32（c） 雙量程測力傳感器結構示意圖33 圖2-5 2.4 傳感器的測量電路傳感器的測量電路就是將電阻應變片的變化轉為電壓的輸出。因為惠斯登電橋電路具有可抑制溫漂的影響和抑制干擾等優點，被各種應變式傳感器所應用。電橋電路根據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

27、傳感器所采用的是全橋工作方式。圖2-6 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，高精度電阻應變片作為轉換元件，將應變片粘帖在被測彈性體上。應變電阻的變化是通過四臂電橋轉化為電壓的變化。根據電橋工作原理25，將粘帖在應變梁上的四個應變片電阻連接橋路如圖2-10所示，虛線的部分為傳感器本體，內部連線已接好。3，4端接供橋電壓，1,2端為輸出。在測量應力的時候，當試件受力變形時，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。第三章 MATLAB簡介MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計

28、算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領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非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。

29、 圖3-1matlab開發工作界面MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、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等軟件的優點,使MATLAB成為一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C，FORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。本次主要運用的是MATLAB直接調入根據DHDAS信號測試分析系統軟件得到的振動時

30、間和頻域圖像的數據，然后調用幾個函數得到幅頻和相位圖然后計算出每個圖像的傳感器剛度系數，阻尼，質量等信息，然后進一步得出彈簧-質量-阻尼模型，得到二階二自由度的振動傳遞函數最后運用MATLAB仿真圖像軟件仿真得到時間頻域圖像，看是否與實驗得到的圖像一致，并根據相關理論調整阻尼的大小來改變傳感器的動態特性，提出改進措施。第四章 實驗過程及結果處理4.1實驗器材：小球，圓筒，PPM225-LS1拉壓力傳感器，DHDAS信號測試分析系統。如下圖實驗器材 圖4-14.2 實驗說明本次動態測試實驗采用的是50N的PPM225-LS1型的拉壓力傳感器，如下圖拉壓力傳感器 圖4-250N的PPM225-LS

31、1型的拉壓力傳感器主要技術指標：量 程: 10,20,30,50,100 N輸 出: 1.5 mV/V 或 05V,15V,010mA,420mA非 線 性: 0.030.1 % F·S滯 后: 0.030.1 % F·S不重復性: 0.030.1 % F·S溫 漂: 0.0030.01 % F·S/零位輸出: 2 % F·S激勵電壓: 10V 或 12V,15V,24V(DC)工作溫度: -2080過載能力: 150% F·S 根據傳感器形狀可以看出能把此系統等價為如下振動系統，二階振動系統 圖4-34.3 實驗過程及結果

32、分析連接好pc機和PPM225-LS1拉壓力傳感器，和DHDAS信號測試分析系統，然后用小球在固定高度分別為10cm，15cm，20cm，由圓筒內做自由落體運動沖擊傳感器，由DHDAS信號測試分析系統得到時間頻域圖像。然后通過碼頭喇叭軟件的動態系統仿真模塊進行傅里葉變換，得到振動的振幅和相位。本次實驗共做了三組，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，每組做五次實驗，得到的時間頻域圖像，橫坐標為時間（ms），縱坐標為長度(m)，圖像為：第一組第一次：時間頻域圖 圖4-4用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖，幅頻圖橫坐標為時間（ms），縱坐標為頻率（k

33、HZ），相位圖橫坐標為ms/s,總坐標為頻率（HZ），圖像分別為：幅頻圖 圖4-5相位圖 圖4-6根據理論 （4-1） 機械系統的諧振角頻率 （4-2）是系統阻尼的量度。通稱為系統的品質因數， 值越大，阻尼越小。對于一個完全無阻尼的系統，而對于一個臨界阻尼系統，。實際上，的近似值是由測量響應曲線在半功率點的寬度來得到的，半功率點是曲線上：處得點。如果寬度是，則： （4-3）響應和激勵之間的相位滯后關系給出如下： （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

34、=K。 (4-8)Mq+Cq+KXq=F(t) (4-9)Mq+Cq+KXq=F(t) (4-10)M= = 式中= 是根據此系統為二階二自由度系統相關理論得出的將m裝換成主坐標系下的M得到M1=0.6 M2=0.6根據測量得到=0.0167 0=0.375根據公式（4-3）得到Q1=23.44 根據公式（4-1）得到k1=0.0844根據公式（4-2）得到c1=0.011同理得到Q,彈簧彈性系數k，阻尼c：Q1=23.44 k1=0.0844 c1=0.011Q2=60 k2=0.6 c2=0.01第一組第二次：時間頻域圖 圖4-7用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-8

35、相位圖 圖4-9得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=4.4058 k1=0.08082 c1=0.058Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第一組第三次：時間頻域圖 圖4-10用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-11相位圖 圖4-12得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=111.212 k1=0.08082 c1=0.000021Q2=60 k2=0.6 c2=0.01第一組第四次：時間頻域圖 圖4-13用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-14相位圖 圖4-15得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=14.68 k1=0.08082 c1

36、=0.0175Q2=120.5 k2=0.6 c2=0.005第一組第五次：時間頻域圖 圖4-16用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-17相位圖 圖4-18得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=21.97 k1=0.08082 c1=0.012Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第二組第一次：時間頻域圖 圖4-19用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-20相位圖 圖4-21得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=4.4058 k1=0.08082 c1=0.058Q2=120.5 k2=0.6 c2=0.005第二組第二次：時間頻域圖 圖4-2

37、2用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-23相位圖 圖4-24得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=14.68 k1=0.08082 c1=0.0175Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第二組第三次：時間頻域圖 圖4-25用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-26相位圖 圖4-27得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=21.97 k1=0.08082 c1=0.012Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第二組第四次：時間頻域圖 圖4-28用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-29相位圖 圖4-30得到的Q，彈簧彈性系

38、數k，阻尼為：Q1=14.68 k1=0.08082 c1=0.0175Q2=40 k2=0.6 c2=0.015第二組第五次：時間頻域圖 圖4-31用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-32相位圖 圖4-33得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=23.44 k1=0.0844 c1=0.011Q2=60 k2=0.6 c2=0.01第三組第一次：時間頻域圖 圖4-34用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-35相位圖 圖4-36得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=14.68 k1=0.08082 c1=0.0175Q2=60 k2=0.6 c2=0

39、.01第三組第二次：時間頻域圖 圖4-37用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-38相位圖 圖4-39得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=44.22 k1=0.08082 c1=0.0058Q2=120.5 k2=0.6 c2=0,005第三組第三次：時間頻域圖 圖4-40用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-41相位圖 圖4-42得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=21.47 k1=0.08082 c1=0.012Q2=120 k2=0.6 c2=0.005第三組第四次：時間頻域圖 圖4-43用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖

40、圖4-44相位圖 圖4-45得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=4.4058 k1=0.08082 c1=0.058Q2=30.3 k2=0.6 c2=0.02第三組第五次：時間頻域圖 圖4-46用MATLAB軟件模擬得到的幅頻和相位圖為：幅頻圖 圖4-47相位圖 圖4-48得到的Q，彈簧彈性系數k，阻尼為：Q1=111.212 k1=0.08082 c1=0.000021Q2=120.5 k2=06 c2=0.005由于數據量和實驗器材，操作手段的誤差等問題，現對各組阻尼等數據進行方差計算，以篩選出最好的一組數據，根據方差大小得出第二組數據是最好，最接近實際情況的，以后的MATLAB仿真

41、也以第二組為準。根據第二組得到平均值C1=0.0232 C2=0.012根據以上圖形可以看出此傳感器為二階二自由度阻尼振動系統，關于激勵力的問題，由于沒有沖擊載荷加載器，所以采用用小球在固定高度自由落體沖擊傳感器，由于小球沖擊過程中和傳感器表面的接觸時間并不知道，所以我們假設沖擊為單位脈沖。將根據圖像得到的阻尼，質量，彈性剛度等數值進行主坐標系下的變換，以便為下面的MATLAB模擬仿真打下基礎。根據相位圖可以看出傳感器上下兩部分的質量都為總質量的1/3,為0.3kg進行主坐標系下的轉換計算得到：M1=0.6 M2=0.6 K1=0.081 K2=0.6 C1=0.0232 C2=0.012MA

42、TLAB仿真程序A=M1 C1 K1=0.6 0.0232 0.081 主坐標系下的一階主系統的參數>> B=1 單位激勵脈沖>> impulse(B,A) MATLAB平臺下的單位脈沖激勵仿真函數將B,A代入impulse(B,A)得到如下仿真圖像圖4-49MATLAB仿真程序A=M1 C1 K1=0.6 0.012 0.6 設定主坐標系下的二階主系統的參數 >> B=1 設定單位激勵脈沖 >> impulse(B,A) MATLAB平臺下的單位脈沖激勵仿真函數將B,A代入impulse(B,A)得到如下仿真圖像圖 4-50在不改變一階主系統的

43、M，K和單位激勵力的情況下減小阻尼系數下面我們取C3=0.O065 MATLAB仿真程序得到如下仿真圖像圖4-51根據得到的圖像可以看出若減小阻尼，會使圖像收斂時間增加，振幅增大，也就是說如是阻尼減小，材料剛度情況更好，對外界的壓力做出更長時間的反應，而且圖像更對稱，更符合理論情況。在不改變一階主系統的M，K和單位激勵力的情況下增大阻尼系數取C4=0.05得到如下仿真圖像圖4-52可以看出如果阻尼太大的話得到圖像并不好，而且阻尼太大也不符合時間情況，所以在實際情況下，阻尼越小，傳感器的性能越好第五章 結論與展望5.1 結論壓力傳感器是一種測量壓力的裝置，在工程中有廣泛的應用，傳感器也可以認為是

44、由質量，阻尼，彈簧組成的測量系統。上述三個參數的合理選擇對其動態力測量的品質有著至關重要的影響本文在閱讀大量文獻的基礎上, 熟悉應變式測力傳感器之后，仿真研究該傳感器阻尼系數對其動態測量性能的定量關系，選出最優的阻尼參數。得出結論 減小阻尼，會使圖像收斂時間增加，振幅增大，也就是說如是阻尼減小，材料剛度情況更好，對外界的壓力做出更長時間的反應，而且圖像更對稱，更符合理論情況。但如果阻尼太大的話得到圖像并不好，而且阻尼太大也不符合時間情況，所以在實際情況下，盡可能的情況下阻尼越大，傳感器的性能越好。5.2 展望由于實驗器材，實驗手段，信號傳遞，理論情況等造成本文由許多不完善的地方，PPM225-

45、LS1拉壓力傳感器的質量分布并不一定就是按照上下兩部分都是1/3質量分布，激勵力不一定是單位脈沖，但由于實驗器材缺失，時間倉促，不能夠做找到一個有理論解的問題所對應的高度實驗，來得到本次實驗確切的激勵是多少，只好當做單位脈沖。還有最后的仿真模擬，由于時間有限，不能知道到底確切阻尼的大小是多少，是一個轉折點，超過這個點傳感器的準確度會變小，小于這個點阻尼越大傳感器狀況越好，本文根據時間頻域圖像得到系統為二階二自由度系統，實際上，還可能是更高階高自由度的問題，本文予以忽略，本文是在已有一款組合型壓力傳感器的基礎上，對其中的大量程傳感器進行仿真研究，由于小量程傳感器的損毀，本文未予研究，若是有條件，

46、本文會繼續研究。綜上若是去除以上誤差，得到的結果可能會更理想。參 考 文 獻1 樊尚春傳感器技術及應用M北京：北京航空航天大學出版社，20042 孫寶元，楊寶清傳感器及其應用手冊M北京：機械工業出版社，20043 孫建民，楊清梅傳感器技術M北京：北京交通大學出版社，20054 馮冠平，陸憊榮傳感器技術的發展與展望J測控技術1992，17(3)：32-355 劉迎春傳感器原理、設計與應用M北京：國防科技大學出版社，19896 郭冰，王沖壓力傳感器的現狀與發展J中國儀器儀表2009，(5)：72-767 LIUGUANGYUThe State of The Art and The Future of SensorsJMeasure And Control Teehnology1999，65(18)：l-48 內蒙古工業大學壓力傳感器P中國發明專利9 KRISHACETCA smart Gas Sensor for Monitoring Environmental Changesin Closed Systems Results from The MIRSPaee StationJSensors and Actuators2002，55(34)：118-12610 森林正直，山歧弘郎著傳感工程學M孫寶元譯大連：大連工學院出版社，198811 白韶紅光纖壓力傳感