辽宁无线应变传感器

应变片式传感器工作原理及特性
1、电阻应变片工作原理


电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。


2、应变片的种类、材料及粘贴


金属电阻应变片的种类有丝式和箔式两种。


1）丝式：直径0．01～0．05mm，材料为胶膜、纸、玻璃纤维布等。



图1　金属电阻应变片的结构


2）箔式应变片：直径0．003~0．01mm





原理：它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；


优点：


1）敏感栅尺寸准确，线条均匀；


2）其弯头横向效应可以忽略；


3）可通过较大的电流；


4）散热性好，寿命长；


5）生产效率高；


3、电阻应变片的特性


（一）电阻应变片主要特性：


1）灵敏系数


2）横向效应


3）机械滞后，零漂及蠕变


4）温度效应


5）应变极限、疲劳寿命


6）动态响应特性


（二）应变片的温度误差及补偿


由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。


1）电阻温度系数的影响


敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：


Rt=R0（1+α0Δt）　　　　　　　ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt


2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。试件与电阻丝线膨胀系数不同时，产生附加电阻变化。





由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为：





可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,　α0,　βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。


通常温度误差补偿方法有两类：


1）线路补偿法







完全补偿：


①R3=R4;


②R1和RB相同;


③粘贴材料一样;


④同一温度场


2）应变片的自补偿法





则被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料,则达到温度自补偿的目的。


（三）应变片式电阻传感器的测量电路


直流电桥


直流电桥平衡条件


直流电桥电压灵敏度


电桥的非线性误差


直流电桥平衡条件：





交流电桥


交流电桥的平衡条件


交流应变电桥的输出特性及平衡调节


直流电桥输出电压很小，须放大但直流放大器易于产生零漂。





交流电桥平衡调节：





（四）电阻应变片的选择、粘贴技术


1）目测电阻应变片有无折痕．断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。


2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0．5欧姆．


3）试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。


4）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。


5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。


6）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。


7）应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮

科学家在柔性应变传感器研究方面取得进展




近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员费广涛课题组在柔性应变传感器的制备及力敏特性研究方面取得新进展，相关研究成果以Flexible strain sensor with high performance based on PANI/PDMS films 为题发表在Organic Electronics（47 (2019) 51-56）杂志上。


随着科学技术的快速发展，传感器在生物医学检测、智能机器人、柔性显示、可穿戴设备等领域得到了广泛的应用，这些领域往往需要传感器具有可弯曲、可拉伸的特点，能够满足贴附在各种不规则的表面上的需求。此外，一个好的应变传感器还应具有高灵敏度(GF)、低电阻值的特性。GF太低意味着传感器探测应变时由于变化量小容易出现信号误差，电阻值过大意味着需要配备高精密且昂贵的测试仪器。


目前研究的柔性应变传感器敏感材料通常有两类：一类是以银、碳管、石墨烯等导电材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备低的电阻值，同时GF也很低；另一类是以半导体材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备高的GF，但是电阻也很高。这两类传感器在商业应用中都受到了一定的限制。因此，设计一种电阻低、GF高的柔性传感器迫在眉睫。


聚苯胺(PANI)是一种导电高分子材料，经质子酸掺杂后的电导率处于金属与半导体之间，并且可以随着酸掺杂浓度而改变，因此将聚苯胺与弹性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合有望达到电阻低、GF高的要求。基于此，课题组博士宫欣欣和副研究员方明等采用PANI为导电层，PDMS为弹性层制备了PANI/PDMS复合薄膜柔性应变传感器，并对该传感器的性能进行了研究。实验结果表明，PANI/PDMS复合薄膜传感器具备一定的柔性(图1)，可以拉伸至50%的应变量，GF值较高可以达到54，远**其它材料构筑的柔性应变传感器，同时具备优秀的循环稳定性(图2)，在监测人体活动中具备潜在的应用前景(图3)。

无线传感器网络关键技术




1 拓扑控制




拓扑控制技术的主要功能是数据转发，同时通过控制功率或邻居节点来实现网络的覆盖度和连通度。良好的网络拓扑能够提高路由效率、降低网络能耗，以延长网络生存周期。拓扑控制作为WSN中的核心问题，能够为数据融合、路由协议以及目标定位等提供技术支撑。




目前已有的拓扑控制算法分为节点功率控制和层次型拓扑控制两类。功率控制是通过调整传感器节点的发送功率，在满足网络覆盖率和连通性的前提下，尽可能减少节点发送功率。当每个节点的功率发生变化时，网络的拓扑结构也会发生变化，同时降低节点间的干扰，较终使网络达到较佳连通性。层次型拓扑控制利用分簇机制，让形成簇头节点，每个簇头节点成为一个骨干网将网络划分成多个簇，其他非骨干网节点可以暂时停止通信以降低网络能耗，只允许骨干网进行数据转发。


2 路由协议




在无线传感器网络中，网络连接需要根据实际情况，需联合合适且特定的算法还有系统软件建立的实时动态的连接，并不是采用一种事先安排好的连接方式。网络带宽、处理功耗等一些网路实时方面的影响因素是网络运行时必然要考虑的因素，因此，当网络出现意外时，网络根据实际情况能够实时地进行重构或是更新网络系统等操作。节点之间通信连接的可靠性是有限的，有时阴影衰落也是影响网络连接的因素之一，所以在设计满足网络需求的路由软件时要仔细考虑通信的可靠性问题。




3 数据融合




在WSN中，通过数据融合技术可以对传感器节点收集到的数据进行融合处理，去除冗余信息，节省网络能量，延长网络生命周期。此外，利用数据融合技术可以对网络内感知到的多份数据进行分析和综合处理以提高信息的准确度。然而，数据融合技术在进行数据处理时，会增加网络运行时间，造成网络的时间延迟。


4 时间同步




时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。在WSN中，节点间通常需要相互协作才能完成感知和监测功能，此时要求各个节点之间保持同样的时钟。目前已有的时间同步协议有RBS（参考广播同步）、Tiny/miniSync（微小/迷你同步）以及TPSN（Timing-sync协议的传感器网络）。



5 定位技术




在WSN的实际应用中，用户不仅关注传感器节点在监测区域内的感知数据，也希望获取这些节点的位置信息。因此，定位技术作为WSN中的关键技术具有十分重要的地位。




在WSN中传感器节点的定位方式分为两种：基于测距的定位和基于非测距的定位技术。基于测距的定位是通过测量节点间的距离和方向角度来确定待定位节点的坐标，此方法对节点硬件要求较高，能达到精确定位；基于非测距的定位是通过网络内节点间的连通性来获取待定位节点的较终坐标的，由于*测量节点间的距离使得对节点的硬件要求较低，降低了网络的成本，但是定位精度不高。

电阻应变式称重传感器应用的局限性
电阻应变式称重传感器有两大缺陷：
1.低电阻，高能耗；
2.是一个不完全二阶传感器系统。
应用受到局限：
1.只能在220V，20Hz交流电源区应用，不能应用于无交流电区域。
2.只能用于静态或准静态称重，不能进行动态称重