一种大过载超小型张力倾角复合传感器的设计

摘  要： 为了实现多参数综合测量，设计出一种张力倾角复合传感器。利用电阻应变计组成的全桥电路实现张力的测量，利用加速度原理测量倾角，采用模块化设计理念，张力测量模块与倾角测量模块独立工作互不影响，实现小型化高精度测量。经过试验测量：该传感器张力准确度优于0.1%FS，倾角准确度优于0.05 %FS，零点漂移小于0.05 %FS/h，热零点漂移小于0.002 %FS/℃，达到单个传感器的技术水平。
关键词： 复合传感器；张力；倾角；过载；小型

     在水下拖曳式通信平台收放系统中，线缆所受张力的大小及与水平面所成的角度反映了通信系统平台的姿态。准确地测量出张力和倾角的变化，对监测整个通信平台的安全工作起着重要的作用。应变式力传感器是目前应用最广泛的测力传感器[1]，这种传感器通常利用电阻应变计组成的全桥电路实现张力的测量，它具有测量精度高，响应速度快等特点，如日本共和电业生产的测力传感器准确度可达0.05%，允许过载200%。倾角传感器按照转换原理可分为光栅式、加速度式、电容式等，电容式倾角传感器利用电容的原理实现非电量到电量的转化[2]，准确度可达到0.05%。
    目前市场上销售的张力传感器和倾角传感器只能做到单一测量，未能实现一体化测量[3-4]，并且这些传感器大多不具备多参数测量的功能，而且很难同时保证较大的过载能力和较小的体积。张力倾角复合传感器采用一体化设计理念，利用电阻应变计组成的全桥电路实现张力的测量，利用电容原理测量倾角，输出的模拟信号通过A/D转换采集到单片机，经数据处理，利用数字补偿的方式使张力和倾角的测量均能达到较高的精度，最终通过RS485通信直接在计算机中显示出数值，实现张力和倾角的实时监测。
1 工作原理及总体设计
1.1 张力模块设计
    张力模块是利用四片金属应变计连接成全桥电路[5]，当弹性体受力作用后，金属电阻应变计就会产生变形，阻值发生变化，在电桥上产生一个不平衡信号输出，该信号与外力成正比，从而达到测量张力的目的，如图1所示。

    测量电桥采用恒压源供电，电桥的输出为：
    
1.3 总体设计方案
    该复合传感器是利用电阻应变计连成全桥电路测量张力，利用差动电容式芯片测量倾角，采用模块化设计理念，张力测量模块与倾角测量模块独立工作互不影响，采用CAN总线数字通信接口，传感器内置单片机可实现快速、实时地对测量参数进行计算、数字滤波、线性补偿等数据处理。
    传感器功能框图如图3所示。

2  大过载小型化设计
    该传感器需要长期在450 m海水下工作，并且总质量要求小于450 g，为此选择钛合金TC4作为传感器的弹性元件。钛合金材料具有比例极限高、密度小、弹性模量低、焊接性能好等特点，同时它的抗腐蚀性能很好，在静止的海水中无腐蚀，高速海水（42 m/s）条件下的腐蚀速率仅为0.0051 mm/a。
    根据使用要求规定传感器的外形尺寸≤ 准55 mm×35 mm，将弹性元件和传感器壳体设计为一体结构，弹性元件按照承受载荷50 kN（5倍过载）设计，应变计粘贴在传感器壳体底部内壁，连成全桥电路后接入放大电路，倾角芯片焊接在电路组件上，电路组件通过螺钉安装在传感器内部基准面上。传感器下端面中心处加工施力螺纹，上端面的连接螺纹则均匀分布在圆周上，端盖采用焊接方式实现连接和密封，电气连接采用特制的超小型水密连接器，耐压5 MPa以上。传感器结构如图4所示。

    为了不影响传感器的灵敏度和精度又同时满足5倍过载的要求，对传感器壳体进行淬火和时效处理，经过热处理工艺后，去除了残余应力，提高了弹性梁的强度，改善了材料的机械性能，传感器精度和过载的指标同时得到满足，并提高了材料的热稳定性，有利于敏感元件的散热，允许通过的最大电流也有所提高。
3 电路与程序设计
    电路利用基准源REF3040为张力模块提供稳定的恒压源供电；倾角模块采用经过整流、滤波后的直流5 V电源供电，使用仪表放大器AD627R进行信号的差分放大；使用高速24位高精度A/D转换器ADS1248进行模数转换，采用串口通信方式与单片机XC886连接，数据经过单片机运算处理后由通信芯片输出数字信号。这种电路结构的转换精度可以达到0.02%以上。而且通过单片机可对传感器的非线性和温度漂移进行补偿[7-8]。通过测量张力模块的桥压间接测量温度，温度信号由微控制器内部A/D采集。
    为了减小非线性误差及零位、灵敏度温漂，通常采用温度系数极小的外接电阻进行串并联补偿，但是这种传统的模拟补偿方法存在一定的缺陷，在-40℃～80℃全温范围内补偿效果不甚理想，并且补偿过程复杂、繁琐。为了提高传感器精度，需采用软件补偿的方法。本设计采用了分段拟合的方法，处理器通过读取张力A/D值、倾角A/D值以及温度A/D值，利用最小二乘法曲线拟合出在特定温度区间下的张力和倾角输出曲线，利用温度A/D值获得特定温度区间，从而得到经过温度补偿后的张力和倾角输出值。同时利用卡尔曼滤波算法对传感器的输出进行平滑滤波，剔除较大噪声，提高传感器的稳定度。主程序流程图如图5所示。
4 实验与分析
    根据上述设计方案生产了一批张力倾角复合传感器，并对传感器进行测试：先将传感器固定在EEI-6型力标准机上，通电后加载50 kN（5倍过载），保持30 s后卸载，然后对传感器进行性能测试。取当地重力加速度g=9.806 65 m/s2,激励电压为5.0 V，记录3只传感器的张力测试数据如表1。

    从表3数据可知,该传感器的张力准确度优于0.1 %FS，倾角准确度优于0.05%FS,零点漂移小于0.05 %FS/h,热零点漂移小于0.002  %FS/℃，满足使用要求。
    本文介绍了一种大过载小型化的张力倾角复合传感器，采用模块化设计思想，同时实现张力、倾角两种参数的测量，从工作原理、结构设计、电路与程序设计等方面对传感器进行了理论分析与试验仿真，进而给出传感器的详细设计方案。实验结果证明，该传感器具有精度高、抗过载能力强、结构尺寸小、耐恶劣环境、多参数复合测量等特点，部分产品已应用于某水下拖曳式通信平台收放系统中，工作状态良好。类似产品可广泛应用于船舶、矿山、石油化工等领域。
参考文献
[1] 姚文斌，刘兆辰.起重机提升钢丝绳张力测力传感器的研究[J]. 工业仪表与自动化装置，2001(3)：34-37.
[2] 张维胜.倾角传感器的原理和发展[J].传感器世界，2002(8)：18-21.
[3] 唐亮， 杨昌棋， 尤血松，等. 高拉扭比的复合式传感器研究[J].传感器技术学报，2011，24(4):5-8.
[4] 曲国福，刘宏昭.基于MEMS技术的复合型智能传感器设计[J]. 传感器与微系统，2006，25(3):86-88.
[5] 张蔚，姚文斌.双跨接触式钢索张力传感器的设计[J].传感器技术，2004，23(11):24-26.
[6] 高峰，谷雨，周滨，等.一种电容式角度传感器[J].仪表技术与传感器，2009(8):17-18，19.
[7] 苏亚，孙以材，李国玉.压力传感器热零点漂移补偿各种计算方法的比较[J].传感器技术学报，2004，17(3),375-378.
[8] CENTERS P W, PRICE F D. Real time simultaneous inline wear and lubricant condition monitoring[J]．Wear,1998, 123(3):303-312.