薄膜壓力傳感器在散堆糧實(shí)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(jià)格便宜、使用簡單、測量可靠等特點(diǎn)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(duì)散堆糧實(shí)倉底部壓力進(jìn)行測定，旨在分析薄膜壓力傳感器在散堆糧實(shí)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(shí)倉；底部壓力

中圖分類號(hào)：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(gè)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(shí)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(huì)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(xì)為d'，面積為A，初始時(shí)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(duì)數(shù)進(jìn)行微分，得：

在外力作用下，電阻絲會(huì)產(chǎn)生變形。假設(shè)電阻絲沿軸向伸長，其橫向尺寸會(huì)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(duì)變化，用應(yīng)變表示，即：

把公式（4）、（5）同時(shí)代入式（3），則得：

由于金屬導(dǎo)體電阻的相對(duì)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(xiàng)是由金屬絲變形后電阻率發(fā)生變化所引起的；后一項(xiàng)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電阻應(yīng)變片。再由公式：

就可以求得散堆糧實(shí)倉底部壓力。

2 試驗(yàn)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(dá)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(qiáng)、橫向效應(yīng)小、蠕變特征好、成本低、效率高等特點(diǎn)。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(yàn)所用的薄膜壓力傳感器實(shí)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(biāo)定

薄膜壓力傳感器的標(biāo)定方法有液壓標(biāo)定、氣壓表定、土介質(zhì)標(biāo)定，該實(shí)驗(yàn)采取水壓標(biāo)定檢驗(yàn)薄膜壓力傳感器的性能指標(biāo)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(shí)的標(biāo)定數(shù)值，判薄膜壓力傳感器精度是否合格。標(biāo)定完成后讓一重量為60 kg的人站在薄膜壓力傳感器上進(jìn)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(biāo)定誤差在允許范圍內(nèi)薄膜壓力傳感器可以使用。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

將薄膜壓力傳感器鋪設(shè)在模擬實(shí)倉（長6 m，跨度9 m，最大儲(chǔ)糧高度6 m，總倉容重243 t）底部，進(jìn)糧方式采用機(jī)械化進(jìn)糧。待糧食進(jìn)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(shí)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(shí)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(jìn)糧后糧食的自然沉降，總體上看散糧堆底部壓力隨著時(shí)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(yàn)結(jié)果分析

糧食的力學(xué)特性是比較復(fù)雜的，本實(shí)驗(yàn)采用薄膜壓力傳感器測定散糧堆實(shí)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(jià)值。說明了薄膜壓力傳感器運(yùn)用于糧堆底部壓力的測定有一定的可行性。同時(shí)，此次試驗(yàn)也存在很多不足，如薄膜壓力傳感器的標(biāo)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(shí)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(shí)倉中的應(yīng)用。

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