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1干擾機理分析
在ECU的系統中,大量的傳感器都屬于敏感易受干擾的設備,分析其敏感現象與ECU系統組成可知,造成發動機熄火及轉速大幅下降的原因,可能是由于表1中列出的信號在處理的過程或路徑上受到了外界電磁干擾,從而導致ECU控制發動機出現非正常的響應.由柴油高壓共軌電控發動機的噴油控制原理可知,ECU根據各傳感器反饋的數據,計算出目標噴油壓力,同時根據共軌壓力傳感器反饋的壓力值,定出實際噴油壓力;而共軌壓力傳感器輸出信號電平在1~4V范圍內是隨共軌燃油壓力值增大而增大的.在車輛怠速運轉的正常狀態下,當壓力信號電平增大時,ECU將控制轉速降低以減小噴油壓力,噴油壓力反饋給ECU的信號電平應在1~1.7V范圍內.如果在共軌內的實際壓力沒有發生變化,只是傳感器在受干擾的情況下輸出了一個錯誤的信號電平,那么ECU將控制發動機降低轉速,最終導致共軌內燃油壓力不足以維持怠速運轉條件,從而表現出轉速下降并熄火的現象.
2電磁干擾分析
下面將從電磁干擾構成的三要素(干擾源、耦合途徑以及敏感設備)來對干擾現象進行進一步的分析.
2.1電磁干擾源該測試車輛由于其高機動的特性,可能會處于各種天線發射產生的輻射電磁場內,這些輻射電磁場在線纜上的耦合效應將產生共模干擾.比如,該車安裝的超短波通訊電臺,在其大功率發射時,在天線基座附近產生的場強可以達到70~80V/m.因此,即使從系統內兼容的角度考慮,這種干擾源也是必然存在的而且無法改變;同時,由于車輛車體設計的需求,不可能采取完整的車體屏蔽,所以,為了解決共軌壓力傳感器的敏感問題,只能從另外兩個要素上尋找解決方案.
2.2干擾耦合途徑
2.2.1地回路耦合途徑由圖2可以看到,共軌壓力傳感器為金屬封裝,與發動機主體的連接方式為金屬螺紋連接.發動機主體沒有設置專門的搭接線接地,僅起動機有一根50mm寬度的接地線連接至電瓶負極.從車輛檢查情況看,車架表面涂有防銹漆,發動機與車架間有減震墊連接,僅靠固定螺栓很難保證足夠小的接地電阻.因此整個車體地上存在著較大的交流阻抗,面對外部電磁輻射場,電磁場在車體表面容易形成渦流,通過地回路串擾進傳感器電路中.
2.2.2傳輸線纜耦合途徑ECU連接傳感器的線纜,采用了普通電纜連接,沒有采取絞合或屏蔽的措施,特性阻抗很不穩定,線纜間距很小,容易引起高頻干擾信號的串擾.如果線纜兩端的連接設備沒有同時做好濾波,則干擾信號將直接或間接地進入電路中,引起敏感現象.
2.3敏感設備(電路)共軌壓力傳感器,是將共軌內傳遞的燃油壓力,通過壓敏電阻的阻值變化以改變電橋的平衡狀態,并將壓力值轉換為電壓信號(Vh和Vl),通過放大器將該電壓信號放大,然后輸出到ECU進行解算控制發動機的噴油壓力.電橋輸出的電壓非常微弱,放大器的放大倍數接近400倍,輸出給ECU的共軌燃油壓力信號也是一個在1~4V范圍內變化的電壓信號.在施加干擾的情況下,干擾能夠通過線纜的耦合、地回路的耦合進入到傳感器電路中,導致敏感現象的出現[2].
2.3.1傳感器前部———壓力采集轉換部分如圖3所示,電橋輸出的電壓(Vh和Vl)是十分微弱的信號,PCB上的線間耦合以及地回路的串擾,很容易影響其信號品質.如果在電橋輸出信號與放大器之間不設計濾波電路濾除高頻干擾信號,當干擾達到一定的強度后,干擾信號也會由放大器輸出到后級,并影響ECU的解算.共軌壓力傳感器為金屬封裝,與發動機主體的連接方式為金屬螺紋固定,相當于與車體共地.如果PCB內部的參考地與車體地隔離不好,外部輻射干擾在車體金屬外殼上形成表面電流,這種地電流就有可能由地回路進入PCB內部并干擾電橋輸出的微弱電壓信號,而且電橋輸出與放大器之間沒有設置濾波電容,干擾信號經放大器放大后必然會影響共軌燃油壓力信號的輸出電平:這就印證了在10V/m的外加干擾場強下仍然出現發動機熄火現象的原因.
2.3.2傳感器后部———共軌壓力信號輸出部分從圖4可見,傳感器電路的輸出部分考慮了濾波措施,首先傳感器內的參考地取自ECU的信號地,并且為避免長線纜傳輸路徑上耦合的干擾,使用了磁珠與電容的LC濾波電路,這些均起到了濾除高頻噪聲的作用.同樣,在輸入5V電源與輸出信號端,也都采用了磁珠加電容的LC濾波電路,也應該具有一定的效果.但傳感器廠家在前期對傳感器進行電磁兼容測試時,使用的是屏蔽線纜,同時在測試桌的接地平板上兩端接地,這些措施與實際裝車情況不符;并且整車測試時耦合的干擾電流的強度也應高于其前期的試驗室測試.因此,濾波元器件的參數選擇,以及是否增加其他濾波措施,是應該按實際裝車狀態來進行設計.
3共軌壓力傳感器抗干擾設計改進及復測驗證
3.1改進濾波設計從圖3、圖4中可知,原傳感器已經考慮了信號的濾波,但僅在傳感器輸出前端采取了濾波,磁珠、電容的參數也沒有按照GJB151A中CS114項要求的干擾信號強度進行選取,沒有綜合考慮干擾的前門、后門效應,因此,應著手在以下3個方面加強設計:1)在電橋輸出與放大器電路之間,增加低通濾波電路,需要兼顧考慮響應時間常數(τ1)與增益要求,低通濾波器的時間常數(τ2)應小于并等于τ1,并留出30%的設計余量.共軌壓力傳感器內部電路中,在輸入的5V電源、輸出的共軌壓力信號與地之間,根據共軌壓力傳感器設計響應時間常數(τ1)與增益要求,增加合適參數的濾波電容,濾除高頻部分的雜散信號;2)LC濾波之后增加并聯穩壓二極管,使得電源電壓更加平穩.由于穩壓二極管的作用,電源接通瞬間的過度特性得以改善,從而增強了輸入電壓同輸出信號的穩定性;3)在ECU內部的PCB上,對于與共軌壓力傳感器連接的信號輸入輸出電路,也應考慮同樣的濾波處理,以濾除不必要的高頻雜散信號,提升系統的抗干擾能力.如圖5所示,虛線框內就是電橋采集信號后以及信號放大輸出之前,電路中增加的濾波電路。
3.2復測驗證結果將改進后的共軌壓力傳感器安裝回發動機后,按照同樣的測試位置與干擾信號強度,在同樣的車輛狀態下進行復測,沒有再出現發動機運轉異常的現象.通過示波器監測傳感器輸出信號,也沒有出現異常的信號波動,復測結果滿足標準要求,達到了預期的目的.
4結束語
關鍵詞:壓力傳感器;自動控制系統;管道檢測;稱重
正文:
隨著我國各省市經濟技術開發區的不斷建立,我國壓力容器制造、檢測等行業得到巨大的發展空間。壓力容器的壓力自動控制系統作為壓力容器運行維護的重要安全措施,其控制系統的開發與制造、使用與維護對于使用者有著重要意義。利用壓力傳感器構造自動控制系統是壓力容器系統發展的重要方向。隨著自動控制技術的不斷成熟,越來越多的領域都在積極應用自動控制技術以降低人工成本、提高效率。
1.壓力傳感器及其自動控制概述
國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是:“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成”。其主要是通過感受到被測量的信息,并將檢測感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。壓力傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節,通過壓力傳感器測量信息后,傳送至自動控制單片機或計算機,由計算機對預設信息進行對比后,做出實時的反應,以此完成自動控制的全過程。
2.關于壓力傳感器構造自動控制的分析
2.1利用壓力傳感器構造的管道壓力自動控制系統分析
根據管道壓力檢測設定數據選擇合適的壓力檢測傳感器,通過傳感器將信號轉換為4-20MA信號給DCS,然后由DCS對檢測到的信號與設定信號對比,輸出一個4-20MA的模擬信號來控制現場的壓力調節閥的閥位,從而達到通過傳感器來控制閥開度的自動控制功能。利用這樣的原理及控制系統可以對鍋爐壓力、輸送管道壓力等進行自動控制,從而減少人工監測的弊端。
2.2壓力傳感器在制藥行業自動控制的應用
在制藥行業中對于壓力傳感器構造的自動控制系統有很多,最為典型的是片劑自動數粒裝瓶機。其是利用壓力傳感器對瓶中所裝內容物進行實時監控,在裝到設定重量后,由傳感器將信號傳到PLC控制模塊,由模塊將信號轉到傳動系統將瓶轉入擰蓋系統。在該系統中還常常將紅外光感傳感器共同使用,增加數粒準確性,保障產品質量。類此的自動控制系統在食品制造行業也有很多的應用。
2.3利用壓力傳感器構造飼料分裝自動控制系統
在飼料行業中的分裝系統是飼料制造企業質量控制的重要控制工序。利用物理壓力傳感器構造的自動分裝系統實現了物料的快速、準確稱量,實現了自動分裝及配料、進料控制。其主要分為高速分裝系統及自動稱量裝料系統構成。
高速定量分裝系統由微機控制稱重壓力傳感器的稱重和比較,并輸出控制信號,執行定值稱量,控制外部給料系統的運轉,實行自動稱量和快速分裝的任務。采用單片機和V/F電壓頻率變換器等電子器件,以及中央處理器,BCD拔碼盤作為定值設定輸入器,物料裝在料斗里,其重量使稱重壓力傳感器彈性體發生變形,輸出與重量成正比的電信號,傳感器輸出信號經放大器放大后,輸入V/F轉換器進行A/D轉換,轉換成的頻率信號直接送入微處理器中,其數字量由微機進行處理。微機一方面把物重的瞬時數字量送入顯示電路,顯示出瞬時物重,另一方面則進行稱重比較,開啟和關閉加料口、放料于箱中等一系列的稱重定值控制。
自動稱重和裝料裝置的實現是通過裝料的箱子或袋子沿傳送帶運動,直到裝有料的電子稱下面,傳送帶停止運動,電磁線圈通電,電子稱料斗翻轉,使料全部倒入箱子或袋子中,當料倒完,傳送帶馬達再次通電,將裝滿料的箱子或袋子移出,并保護傳送帶繼續運行,直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源,與此同時,電子稱料箱復位,控制電子壓力稱的電磁線圈a通電,漏斗給電子秤自動加料,重量由微機控制,當電子秤中的料與給定值相等時,電磁線圈a斷電,彈簧力使漏斗門關上。裝料系統開始下一個裝料的循環。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時,這個過程可以持續不斷地進行下去。必要時,操作人員可以隨時停止傳送帶,通過拔碼盤輸入不同的給定值,然后再啟動,即可改變箱或袋中的重量。 該系統選用不同的傳感器,改變稱重范圍,則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業的自動包裝中。
3.各類型壓力傳感器發展分析
隨著壓力傳感器在各行業自動控制應用的不斷加深,傳統壓力傳感器技術已經不斷滿足現代科技的要求。為此,更多新型的壓力傳感技術正在不斷的研制與開發中。力學傳感器的種類繁多,如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式、壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳、感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器,它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。新材料在壓力傳感器的應用為傳感器自動控制技術帶來更加廣闊的發展空間,抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞,壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片產生微小的形變,厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面,連接成一個惠斯通電橋(閉橋),由于壓敏電阻的壓阻效應,使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性,與激勵電壓也成正比的電壓信號,標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0 /3.0 / 3.3 mV/V等,可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定,傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性,傳感器自帶溫度補償0℃~70℃,并可以和絕大多數介質直接接觸。陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40℃~135℃,而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV,輸出信號強,長期穩定性好。高特性,低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向,在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢,在中國也有越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。藍寶石壓力傳感器、壓電壓力傳感器等新材料傳感器的開發與應用為壓力傳感器自動控制系統的發展提供了廣闊的發展空間。
結論:
隨著壓力傳感器構造的自動控制系統在各行業應用的不斷加深,自動控制系統開發與應用企業也面臨著更高挑戰。這就要求自動控制開發企業必須加大對相關人才培養與引進,通過人才戰略提高自身的市場競爭力,提高對應用壓力傳感器自動控制系統客戶的售后服務,加強壓力傳感器的檢測以保障自動控制系統的精準性,為壓力傳感技術的應用發展打下堅實的基礎。
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[關鍵詞]壓力傳感器;電梯;安全技術
[中圖分類號]G718.3[文獻標志碼]A[文章編號]2096-0603(2015)17-0032-03
在電梯測重系統中,電梯壓力傳感器是非常重要的工作元件,因此可以說,壓力傳感器與電梯的安全技術之間有著非常密切的聯系。所以,在實際的工作中,對于壓力傳感器和電梯安全技術的相關內容,必須高度重視起來。
一、壓力傳感器的相關闡述
在了解壓力傳感器時,應該對其線性速度進行分析和掌握,將傳感器的具體輸出和輸入狀態及其擬合之間的連接狀況表示出來。其中的輸出和輸入曲線,也可以理解成校準曲線,它是經過具體的標定和測量獲取的。當在傳感器上作用了一定的輸入量,對應的輸出量在上面就會被顯示出來,這個點在平面坐標上就可以確定出來,然后,有效地連接起一系列這樣的測試點,這樣傳感器的具體輸出、輸入曲線就能夠被創設出來。我們通常要對擬合直線進行選擇,當作工作曲線,便于將誤差最下值選擇出來并進行一定的校準分析,因此,就可以將其當作擬合曲線。
二、電梯控制系統的相關闡述
電氣控制系統和電力拖動系統是電梯控制系統中兩個重要的組成部分,由曳引電動機、調速裝置、速度反饋裝置、供電系統一同構成了電力拖動系統。主要涵蓋轎箱開關電路和電梯垂直方向主拖洞電路,其能夠將一定的動力提供出來,而且有效地控制電梯的運行速度。由傳感器、控制用繼電器、指示燈、數碼管、控制系統核心器件,眾多的呼叫按鈕一同構成了電氣控制系統。邏輯控制、信號輸出、信號采集和控制器能夠有效地統一在一塊,結合電梯電力拖動系統,將電梯控制的全部功能有效地彰顯出來。通常有變頻器的控制和控制器邏輯部分一同構成垂直電梯控制系統。
三、電梯運行中容易出現的故障及運行中如何正確應用壓力傳感器
(一)電梯運行中常見的故障問題分析
現階段,在很多電梯運行的過程中,墩底和電梯沖頂是兩種常見的故障,并且,這兩種故障也是有關工作人員很難及時發現的故障,同時帶來的傷害系數也會非常大。在某種程度上,對其維修的時間就會拖延,同時還有剎車功能減退和滑梯的問題出現,而電梯的制動力矩、緩沖器和安全鉗不夠,極易導致有墩底和滑梯的故障發生,因此,為了將這種故障有效地檢測出來,可以對上位機監控菜單進行應用,而曳引機和制動力矩不充足所誘發的一些問題,能夠利用對電梯變頻器的檢查,將一些故障找出來,看有無錯誤的情況存在于曳引機的參數設置中,或者曳引機同變頻機不符合的情況是否存在。如果發現了相應的問題,應該馬上給予處理和解決,不然對電梯的安全運行必將帶來嚴重危害。總而言之,如果有一定的缺陷存在于電梯系統中,是導致故障出現的主要原因。例如,轎廂隨動電纜不科學或者電梯信息電纜配線不正確,或是將一個備用的線路設置在了電梯的維修過程中,這樣對于電梯的長久安全性是很難給予保障的。然而,為了將電梯運行的一些成本節約下來,在更換電纜或者維修其中一些故障的過程中,就會將很多的時間浪費掉。同時,很多的生產廠家因為缺少合理的線路設計理念或者線路標志不夠明確等,都會導致一些故障出現在其中,進而將很大的障礙帶給后續的電梯維護和維修,因此,也極易導致一定的故障出現在電梯系統中。
(二)電梯安全運行正確應用壓力傳感器的方法
在電梯平層控制中,平層傳感器和位移傳感器是其中的重要裝置,對自動平層作用的發揮具有重要意義。并且,必須確保有準確的平層,對于電梯頻繁調整、啟動和停止等工作要求必須予以適應,確保能夠平穩地完成加速和減速,具備平滑的速度曲線,沒有微動的情況出現在其停止以前。
1.在電梯平層中應用
在電梯控制系統中,壓力傳感器能夠有效地調整電梯平層,電梯的中樞神經即為電控系統,電梯的質量將直接受到其質量的影響。醫用電梯和客梯對乘坐的舒適度都有較高的要求,此外,運行時間同其舒適度有著非常密切的聯系。為了確保舒適、安全地乘坐電梯,就應該將時間延長,將電梯減速,隨之延長運行的時間,從而降低電梯的運行效率。因此,為了將電梯的安全運行效率提升,應該在一個合適的范圍內進行加減速度控制,并且要有效地控制其變化情況。因此,就將一定的要求拋向了控制系統:可靠安全,能夠快速準確地將故障排除掉,在對應用要求給予滿足的基礎上,有著越簡單的線路越合理振動和噪聲,要合理地選擇壓力容器,不能有過大的電磁聲,有足夠的剛度存在于安裝零件的結構件中,并且防松的措施一定要到位。對于頻繁啟動的要求要相適應,確保換向、停止和轉換都能夠非常容易地完成,有著較好的調速性能,確保能夠有效地轉換工作方式,保證平穩地完成加減速度,平滑的速度曲線,沒有微動的感覺出現在電梯停止前。對于自動平層可以有效地予以實現,并且一定要準確地完成平層,確保在很大范圍內對上升的荷載都可以有效地予以適應,重載啟動也可以實現。在上述要求及電梯運行特征的基礎上,應該對壓力傳感器進行使用。
2.如何合理地應用壓力傳感器
轎廂的呼叫信號和樓層是電梯運行的主要誘因。因此,需要有效地控制其行程信號,對應的轎廂與樓層的呼叫是隨機進行的,所以,可以對隨機邏輯控制的方式進行使用完成系統控制,就是對電梯的基本控制要求在順序邏輯控制的基礎上給予完成,在隨機輸入信號的基礎上,對電梯的運行情況進行適時的掌控。同時,有壓力傳感器對轎廂的位置進行確定,然后向著計數器中進行傳遞完成相應的控制。此外,將一個靜磁柵源設置在每層樓中,進而對系統的樓層信號進行檢測。在向上行走電梯的時候,靜磁柵欄源在靜磁柵尺上行的方向上會被檢測出來,打開抱閘,確保電梯能夠穩定地上行。這樣就能夠有效地吸合PLC內部鎖存繼電器,開始對定時器進行定時,可以按照梯速和可視端站層距將時間確定出來。在動作上強迫換速開關之后,電梯就會呈現出慢車運行的情況,一般情況下,電梯在上行平層的過程中需要停車。一旦沒有停止,轎廂還在繼續運動,當在零值存在著Tim設定值時,就會相應地斷開其常閉點,上行接觸器和慢車接觸器失電,就會相應停止電梯的運行,也就是說,沒能有效地釋放快車運行接觸器。所以,不論是快車的運行還是慢車的運行,只要有信號被強迫換速開關發射出來,不管有無動作情況存在于別的保護開關中,在壓力傳感器的作用下,都會令電梯停止運動,進而確保有一定的穩定性、可靠性存在于電梯的端站保護中。
3.壓力傳感器的安裝分析
在各個繩頭之間安裝壓力傳感器,即便長期地進行應用,也要保證沒有變化出現在其中,當在1∶1的比值范圍內存在著電梯曳引時,整個轎廂的重量即為壓力傳感器所能夠承受的重量,其比值也為1∶1;當在2∶1的比值范圍存在著電梯的曳引時,這樣轎廂的一半重量等同于傳感器所能夠承受的重量值。對于隨行電纜和電梯補償鏈等加上的重量,就可以非常容易地測量出來。其中,力矩補償和稱重都應用了獨立的控制對策,具備按層補償的效果,就是在進行稱重的過程中,電梯轎廂內的重量能夠被顯示出來,而電梯轎廂內所能夠承受的重量就是補償值。補償鏈、曳引鋼絲繩、底托電纜等生成的總量,就會向著變頻器中傳遞,進而確保能夠更加穩定、平穩地運行電梯。
4.探究電梯壓力傳感器的有限元
將三維實體模型為電梯壓力傳感器構建出來,對SOL-ID進行選擇,將實體單元構建起來,在普通原則的基礎上,越細密地去劃分單元的網格,就會呈現出越多的單元數,這樣就越能夠非常精確地分析電梯壓力傳感器的有限元。然而,卻無法無限地去劃分單元的網格,硬件的一些條件在某種程度上還會對其帶來一定的影響的,例如,對內存的大小、CPU的主頻等。對于所規定的準確度,一旦普通單元的網格數目能夠達到就可以,對這個原則予以遵循,然后通過劃分,將相應的節點構造出來,然后分割出多個單元。對相關的結果進行分析。能夠將電梯壓力傳感器的單元變化情況弄清楚,而且能夠清晰地覺察到,將一定的壓力施加到電梯壓力傳感器當中以后,最大的壓力會集中到某一個點上。事實上,對于敏感單元件安裝,應該確保其能夠在最大的應變點上進行安裝與放置,不然在傳感器滿載的時候,一些材料在彈性元件上會發展為塑性狀態,就會對傳感器的精度帶來一定的影響,然而,有嚴重的應力一旦集中到最大的壓力點上以后,在應變敏感元件上還不存在滿載值的時候,這樣就會在它的彈性范圍以外存在著最大應變出的材料。所以,在具體的工作當中,當在壓力傳感器的某個點上出現了貼片之后,這樣在最大應變點的最近位置處即為這個位置的幾何位置,并且,對于應力集中的情況也能夠有效地防控,令壓力傳感器能夠一直穩定、平穩地運行。
四、結語
綜上所述,在電梯運行的過程中,其安全性和穩定性是人們所考慮的主要方面。近些年來,隨著技術的發展,一些先進的技術裝置被廣泛地應用到了電梯運行系統中,其中,壓力傳感器就是非常關鍵的裝置之一,在確保電梯安全運行上發揮著重要的作用。因此,文章通過上文對相關方面的內容進行了論述,從而為有關單位工作人員在實際工作中提供一定的理論支撐。
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速騰1.4t機油壓力傳感器的位置在發動機右側,水溫傳感器旁邊。
傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的特點包括:微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展,讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官,讓物體慢慢變得活了起來。
(來源:文章屋網 )
關鍵詞:壓力傳感器;形變;有限元分析;位移
中圖分類號:TB125 文獻標識碼:A 文章編號:1006-8937(2016)33-0072-02
傳感器技術是現代測量和自動化系統的重要技術之一,壓力傳感器廣泛應用于工業生產的許多行業,它的誤差大小直接影響到測控系統的性能。由于目前的壓力傳感器一般是以彈性元件的形變指示壓力,因此在使用過程中整個壓力傳感器會產生變形,由于其制作的材料等不同其形變也不同,因此在使用之前需對其進行分析,特別是使用在測量物體形變和受力關系的系統上,其自身形變可能會導致測量結果出現嚴重誤差。本文結合一款S型壓力傳感器,使用COMSOL有限元分析對其受力情況下自身的形變進行有限元分析,得出相關數據,并分析出此傳感器的受壓最大位移點和正向受力面的各點線型圖。
1 傳感器材料及仿真模型的建立
1.1 傳感器材料模型
S型壓力傳感器主要采用合金鋼材料,其材料屬性,見表1。
1.2 傳感器幾何模型與有限元模型
傳感器幾何模型采用三維幾何模型,用外部CAD軟件繪制出尺寸一致的三維體,然后導入到COMSOL軟件中,對其進行邊界約束和施加載荷面等設置后,進行網格化處理。為了降低計算機的計算成本,加快模型求解速度,可采用自由四面體網格進行實體域網格劃分,其三維幾何模型和有限元網格,如圖1所示,其中四面體單元總數為25 924,三角形單元總數為9 510,邊單元總數為1 632,頂點單元總數為56。
1.3 載荷和邊界條件
在圖1(a)三維幾何模型中,施加載荷面在最上方,施加方向為Z軸反方向,即力的方向為從上往下壓,在后面分析形變的時候重點監測的點即為幾何模型中標注的6個。施加載荷大小為傳感器的測量范圍:0~100 N,載荷施加在三維模型的載荷施加面。在模型的最下方的為固定約束面,對其施加位移約束。
2 有限元分析結果
通過上述模型通過COMSOL計算處理后,得到的物體形變情況,如圖2所示。
從形變圖中可以看出,當S型傳感器在受到正上方壓力的時候,其形變最大點再上端側面處,施加載荷50 N時,其位移形變為17.1 439 um。
三維模型中監測點的形變線圖,如圖3所示。
從監測點的位移情況發現,S型壓力傳感器下端的變形較小,而上端變形較大,4號位置接近最大位移點,在接近最大載荷時,其形變位移達到0.03 mm,最上面直接受力點2在最大載荷情況下達到0.025 mm。
監測點1-6的分析數據,見表2。
通過上述數據和圖形可以得出,在S型壓力傳感器上施加載荷,會使其自身產生形變,位移大小在0.03 mm,即在系統中產生的位移誤差為0.03 mm。其位移基本呈線性狀態,因此在使用此類傳感器時,如果測量的精度要求很高,就可以考慮利用線性位移的特性對其形變進行數據矯正,提高系統測量數據精度,減小誤差。
3 結 語
利用COMSOL有限元進行傳感器特性的分析,簡單有效,省去了復雜的公式推導,減少了分析的時間,降低了分析中可能出現誤差的可能性。在進行傳感器形變分析中可以得到形變的最大位移的位置,可以分析各點在載荷情況下的形變情況,為系統使用傳感器提出指引,同時可以看出S型傳感器在載荷情況下的形變線性度很好,為系統測量的后期數據處理提供幫助。
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