薄膜壓力傳感器在散堆糧實倉中的應(yīng)用

馬世舉

摘 要：金屬箔式應(yīng)變片以制作方便、價格便宜、使用簡單、測量可靠等特點而廣泛用于工程結(jié)構(gòu)或部件的應(yīng)變測量及制造各種物理量傳感器，特別是在測力、稱重傳感器和壓力傳感器等領(lǐng)域尤為明顯。文章利用金屬箔式應(yīng)變片制作的薄膜壓力傳感器對散堆糧實倉底部壓力進行測定，旨在分析薄膜壓力傳感器在散堆糧實倉中測試滿倉倉底壓力是否具有可行性。

關(guān)鍵詞：薄膜壓力傳感器；敏感柵；實倉；底部壓力

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）20-0051-02

糧食是一種散粒體，具有散體典型的力學(xué)特性。糧堆中糧粒的大小、飽和程度、破碎是不同的，雜質(zhì)的大小和輕重也不一樣，糧堆是非均勻的介質(zhì)。因此，散堆糧底部壓力測定一直是一個難以解決的問題。本文嘗試研究薄膜壓力傳感器在散堆糧實倉中的應(yīng)用，旨在探究薄膜壓力傳感器是否適用于散堆糧底部壓力的測定。

1 薄膜壓力傳感器的測壓原理

薄膜壓力傳感器的最主要組成部分是敏感柵。敏感柵可以看成為一根電阻絲，其材料性能和幾何形狀的改變會引起柵絲的阻值變化。

設(shè)一根金屬電阻絲，其材料的電阻率為ρ，原始長度為L。不失一般性，假設(shè)其橫截面是直徑為d的圓形，直徑d受拉伸后變細為d'，面積為A，初始時該電阻絲的電阻值為R。

由物理學(xué)可知，具有均勻截面的金屬導(dǎo)體的電阻為：

如果金屬導(dǎo)體受到變形？著，其電阻R將發(fā)生變化，即：

將式（2）取對數(shù)進行微分，得：

在外力作用下，電阻絲會產(chǎn)生變形。假設(shè)電阻絲沿軸向伸長，其橫向尺寸會相應(yīng)縮小，橫截面的半徑減少導(dǎo)致橫截面面積發(fā)生變化。于是有下式：

其中，μ為金屬絲材料的泊松比；為金屬導(dǎo)線長度的相對變化，用應(yīng)變表示，即：

把公式（4）、（5）同時代入式（3），則得：

由于金屬導(dǎo)體電阻的相對變化量與其所受的應(yīng)變呈比例，即：

于是式（7）可改寫為：

在式（8）中，前一項是由金屬絲變形后電阻率發(fā)生變化所引起的；后一項是由金屬絲變形后幾何尺寸發(fā)生變化所引起的。Ks為單根金屬絲的靈敏系數(shù)。表示金屬絲的電阻變化率與它的軸向應(yīng)變成線性關(guān)系。根據(jù)這一規(guī)律，采用能夠較好地在變形過程中產(chǎn)生電阻變化的材料，制造將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號的電阻應(yīng)變片。再由公式：

就可以求得散堆糧實倉底部壓力。

2 試驗過程及數(shù)據(jù)采集

2.1 薄膜壓力傳感器的介紹

目前，薄膜壓力傳感器應(yīng)用最為廣泛的是以各種應(yīng)變電阻合金箔為敏感柵的金屬箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片是利用光環(huán)學(xué)技術(shù)把金屬電阻箔蝕刻成各種敏感柵，常用的箔材厚度為3 ？滋m，最薄的箔材厚度可達1 ？滋m。由此組成的各種應(yīng)變片具有形狀多樣化、允許電流大、柔性好、耐疲勞壽命高、承受大變形能力強、橫向效應(yīng)小、蠕變特征好、成本低、效率高等特點。目前盡管應(yīng)變片的形式很多，結(jié)構(gòu)各異，但歸納起來各種應(yīng)變片大都是由應(yīng)變敏感柵（絲或箔）、膠粘劑、基底、覆蓋層和引線等部分組成。此次試驗所用的薄膜壓力傳感器實物，如圖1所示，箔式應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 薄膜壓力傳感器的標定

薄膜壓力傳感器的標定方法有液壓標定、氣壓表定、土介質(zhì)標定，該實驗采取水壓標定檢驗薄膜壓力傳感器的性能指標及傳遞特性是否滿足要求。包括：量程、分辨率、精度、穩(wěn)定性及傳遞特性（非線性度、滯后、重復(fù)性），參照薄膜壓力傳感器出廠時的標定數(shù)值，判薄膜壓力傳感器精度是否合格。標定完成后讓一重量為60 kg的人站在薄膜壓力傳感器上進行復(fù)核，結(jié)果如圖3所示，薄膜壓力傳感器測定的人體重量為57.1 kg，標定誤差在允許范圍內(nèi)薄膜壓力傳感器可以使用。

2.3 實驗過程

將薄膜壓力傳感器鋪設(shè)在模擬實倉（長6 m，跨度9 m，最大儲糧高度6 m，總倉容重243 t）底部，進糧方式采用機械化進糧。待糧食進到5.37 m平定糧面后，開始初次測量薄膜壓力傳感器數(shù)值并用薄膜壓力分布測試系統(tǒng)I-SCAN軟件采集實倉底部壓力數(shù)值，測試數(shù)據(jù)2～4 d采集一次，采集次數(shù)16次，持續(xù)時間40 d。糧堆底部壓力變化趨勢，如圖4所示。

由薄膜壓力傳感器采集數(shù)據(jù)圖可知，經(jīng)過進糧后糧食的自然沉降，總體上看散糧堆底部壓力隨著時間的增加而呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。但是當(dāng)自然沉降到一定程度后，糧堆底部壓力又呈現(xiàn)稍許下降趨勢，下降后又逐漸增大的反復(fù)過程。

3 試驗結(jié)果分析

糧食的力學(xué)特性是比較復(fù)雜的，本實驗采用薄膜壓力傳感器測定散糧堆實倉底部壓力的變化趨勢，從采集數(shù)據(jù)上看糧堆底部壓力分布是非均勻的。糧堆底部壓力的影響因素較多，本文主要反映糧堆自然沉降過程中底部壓力的變化情況。另外，本文為糧堆底部壓力的測定提供了思路具有一定的參考價值。說明了薄膜壓力傳感器運用于糧堆底部壓力的測定有一定的可行性。同時，此次試驗也存在很多不足，如薄膜壓力傳感器的標定存在誤差，薄膜壓力傳感器的鋪設(shè)單一不能系統(tǒng)的反應(yīng)糧堆底部壓力變化情況，在下一步的研究中可以嘗試在散糧堆實倉底部滿倉鋪設(shè)薄膜壓力傳感器，更近一步的研究薄膜壓力傳感器在散堆糧實倉中的應(yīng)用。

參考文獻：

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[2] 王錄民，劉永超，許啟鏗，等.散糧堆底部壓力實測研究[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，（4）.