半导体应变片式高灵敏度力矩传感器静态标定.pdf

现 代 制 造 技 术 与 装 备1222023 年第 9 期总第 322 期半导体应变片式高灵敏度力矩传感器静态标定刘晓东 刘琳琳 张朦丹 杨小凡 孙 航（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）摘 要：半导体应变片式力矩传感器广泛应用于智能机器人、航空、机械装配与制造等多个领域。对实验室自主研制的半导体应变片式力矩传感器进行静态标定实验，在刚度分析的基础上确定了传感器静态性能参数指标，验证了高灵敏度力矩传感器结构设计的合理性与使用的可靠性。关键词：力矩传感器；静态标定；高灵敏度Static Calibration of High-Sensitivity Torque Sensor with Semiconductor Strain GaugeLIU Xiaodong,LIU Linlin,ZHANG Mengdan,YANG Xiaofan,SUN Hang(School of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University,Shanghai 201804)Abstract:Semiconductor strain gauge torque sensors are widely used in intelligent robot,aviation,mechanical assembly and manufacturing.In this paper,the static calibration experiment of the semiconductor strain gauge torque sensor independently developed by the laboratory is carried out.Based on the stiffness analysis,the static performance parameters of the sensor are determined,and the rationality of the structural design and the reliability of the use of the high-sensitivity torque sensor are verified.Keyword:torque sensor;static calibration;high sensitivity应变片式力矩传感器广泛应用于精密测量领域。半导体应变片利用材料的压阻效应，依据材料加载后能带变形引起的能带中载流子数量变化来改变材料的电阻值，这种压阻效应引起的明显电阻变化大大提高了半导体应变片灵敏度系数1。因此，半导体应变片式力矩传感器常被运用于测量微小应变这种对灵敏度要求很高的场合。高灵敏度使半导体应变片式力矩传感器能够运用于小载荷测量的场合，但也使其容易受到干扰因素的影响。通过标定实验结果可剔除干扰因素的影响，修正测量的精度，以减少测量过程产生的误差2。力矩传感器的标定通常选择静态标定法。传感器在稳定作业状况下受到静载荷或缓慢变化载荷作用时，通过实验得出力矩分支输出的电压信号与实际输入载荷之间的关系数据。1 有限元刚度分析在传感器使用过程中，对刚度具有一定的要求。刚度反映了结构体在承受外载荷作用的情况下，对自身产生变形的抵抗程度，传感器的刚度直接决定了其稳定性。传感器结构如图 1 所示，四周等间距分布了4 个弹性体，将半导体应变片分别粘贴在 4 个弹性体上，可以构造电桥电路，测量MX和MY方向的力矩。在传感器MX方向施加 1 N mm 的力矩。力矩传感器在实际使用中，4 个弹性体均需要固定，因此分析时要对 4 个弹性体底面施加固定约束。有限元分析结果如图 2 所示。在MX方向，弹性体的刚度为 _maxXXMXMKl=（1）式中：lX_max为传感器在X方向的最大位移。ZYXMXMY图 1 传感器结构变形方向类型：变形方向（X轴）单位：mm 全球坐标系 时间：12018/11/20 21:305.729 810-5 MaxMax-5.739 310-5 Min0.0030.00ZYX60.00（mm）4.455 510-53.181 110-51.906 810-56.324 410-5-6.41910-6-3.190 610-5-1.916 210-5-4.464 910-5图 2 MX作用下传感器的变形123工 艺 与 装 备由图 2 可知，lX_max=5.729 810-5 mm，代入式（1）可得，KMX=1.7104 N mm mm-1。由于是对称结构，MY方向和MX方向的刚度一致。也就是说，在 1 N mm 力矩的作用下，弹性元件只有 0.057 m 的变形。即使力矩传感器串联到被测试设备中，这个刚度也不会影响机械结构的刚度。2 静态标定实验及数据为了检验传感器的各项性能指标是否符合使用要求，需要对传感器进行静态标定实验，从而找出传感器各路输出的电压信号与作用于传感器的力矩大小和方向之间的关系3。力矩传感器测量系统示意图，如图3所示。模拟信号传感器输出信号图 3 力矩传感器测量系统标定试验依据标准传感器主要静态性能指标计算方法（GB/T 184592001）4，下文简称计算方法。力矩传感器测试系统主要包含半导体应变片式力矩传感器、台架、信号调理系统以及示波器。标定测试系统的加载方式为首先在台架侧加载 1 N 的砝码，此时力臂为 50 mm，即每次加载的力矩为 50 N mm，加载一次记为 1 步。然后进行预加载，确定系统在MX方向的输出范围为-10.6 10.3 V，最大的正向和反向加载步长都为 8。MY方向预加载时的输出电压为-10.6 10.7 V，最大的正向和反向加载步长也为 8。标定实验分为正向加载卸载和反向加载卸载两个过程，传感器未加载时初始输出值为零点。由计算方法可知，传感器的静态标定实验应在测量仪器的量程内完成，校准数据一般需要包含零点的系统输出，并需要合理选择 5 11 步。因此，选定标定实验加载过程为 5 步，每一步在台架两侧各挂上一个 1 N 的砝码，记录零点和每一步的输出电压数据。当加载砝码数达到5个时，进入卸载过程。卸载过程也分为5步，每一步在台架两侧同时拿下一个 1 N 的砝码，直至两侧的砝码数都为 0，记录零点和每一步的输出电压数据。反向加载和卸载过程与正向一致。上述过程重复3 次。对获取的MX方向和MY方向加载和卸载的标定数据取平均值，如表 1 所示。表 1 传感器MX和MY方向各组加载、卸载数据的平均值负载/（Nmm）加载MX方向输出电压/V加载MY方向输出电压/V卸载MX方向输出电压/V卸载MY方向输出电压/VMXXMXYMYYMYXMXXMXYMYYMYX-250-5.963-0.175-6.223-0.115-5.963-0.175-6.223-0.115-200-4.800-0.139-4.975-0.094-4.847-0.144-5.037-0.098-150-3.626-0.105-3.731-0.066-3.668-0.112-3.797-0.079-100-2.443-0.071-2.485-0.038-2.468-0.059-2.56-0.063-50-1.249-0.037-1.235-0.021-1.255-0.046-1.304-0.05100.001-0.0010.0020.0010.046-0.0090.0070.033501.2330.0361.3230.0221.2880.0311.3270.0511002.3770.0732.5700.0402.4870.0652.6130.0701503.5970.1083.8130.0673.6620.1083.8570.0812004.7760.1455.0570.0994.8330.1455.0700.1062505.9820.1826.2970.1165.9820.1826.2970.1163 传感器静态参数分析传感器的静态特性通过各静态性能指标来表示，它是衡量传感器性能优劣的重要依据。常用的静态性能指标有灵敏度、线性度、重复性、精度和回程误差等。使用最小二乘法拟合静态标定实验测得的传感器输入输出数据。最小二乘法是对N个点进行拟合，使拟合直线的总体误差尽量小5。得到MX方向加载时，传感器两个方向的输出曲线拟合方程为0.02400.01050.00070.0014XXXXXYXYUMUM=（2）MX方向卸载时，传感器两个方向的输出曲线拟合方程为0.02420.00880.00070.0013XXXXXYXYUMUM=+=（3）MY方向加载时，传感器两个方向的输出曲线拟合方程为现 代 制 造 技 术 与 装 备1242023 年第 9 期总第 322 期0.000500.0010.02510.0375YXYYXYYYUMUM=（4）MY方向卸载时，传感器两个方向的输出曲线拟合方程为0.00050.00460.02530.0227YXYYXYYYUMUM=+=+（5）3.1 灵敏度传感器系统输入和输出的比值，反映了传感器对单位待测量变化的响应程度。传感器在每个测量点灵敏度的计算公式为 0dlimdiiiixiiyyxxS=（6）式中：xi为传感器在第i个测量点的输入变化；yi为相对应的输出变化。对于线性传感器或非线性传感器的近似线性段，传感器输出曲线的斜率就是灵敏度。根据最小二乘法拟合的输出曲线方程可知，MX方向的灵敏度SX=24 mV N-1 mm-1，MY方向的灵敏度为SY=25 mV N-1 mm-1。由此可见，设计的传感器对输入的敏感程度高，可以在微应变下进行高灵敏度的测量。3.2 线性度在传感器的输入输出拟合曲线上，各个测量点实际值与对应曲线拟合值差值的最大值和传感器量程的比，即为传感器的线性度。线性度是传感器一项极为关键的指标，在一定程度上体现了传感器测量的精确度。线性度的计算公式为 max100%iiLFSyYY=（7）式中：y-i和Yi分别为第i个测量点多组测量数据的算术平均数和对应曲线的拟合值；YFS为传感器的量程，取 10.7 V。依据测量数据和最小二乘法拟合方程，在传感器MX方 向，max|y-i-Yi|=0.063 8 V，代 入 式（7）可得LX=0.596%。同 理，传 感 器MY方 向 的 线 性 度LY=0.284%。由线性度数值可知，传感器的实际输入输出关系曲线与拟合直线的偏差程度较小。3.3 回程误差传感器对于同一个输入载荷在加载行程与卸载行程输出的最大不重合度被称为回程误差，它反映了传感器的迟滞特性。回程误差的计算公式为,max100%d iHuSiFyyY=（8）式中：y-d,i和y-u,i分别为加载行程和卸载行程传感器在第i个测量点多组测量数据的算术平均值。代入相关数据可得，传感器MX方向的回程误差HX=0.544%。同理，传感器MY方向的回程误差HY=0.599%。由此可见，MX和MY方向的回程误差较小，传感器敏感元件的机械结构特性表现良好。3.4 重复性传感器在某一校准点的多组测量值在置信区间内的样本偏差值的极限值，表示该点的重复性，而这些重复性的最大值则表示传感器整体的重复性。重复性计算公式为 max100%RFScSY=（9）式中：c为包含因子，对应的置信区间为 0.95，由于本次校准进行了 3 次循环，根据计算方法取4.303；Smax为数据在各测量点的均方根误差中的最大值，根据测量数据计算，Smax,X=Smax,Y=0.000 7 V。代入相关数据可得，传感器MX方向的重复性RX=0.026%。同理，传感器MY方向的重复性RY=0.138%。重复性数值小，则力矩传感器测量数据随机误差小。4 结语文章全面分析了半导体应变片式力矩传感器的静态性能指标，并阐述了重要性能指标的分析步骤，对力矩传感器的性能指标研究具有一定的参考价值。设计的应变片式力矩传感器刚度较大，稳定性好，静态指标分析结果反映出传感器的测量准确度高，能够满足测量系统的精度要求。因此，设计的半导体应变片式力矩传感器具备良好的静态特性，能够很好地运用于对灵敏度要求高的测量场合。参考文献1 徐艳华，马伟伟，苏燕，等.浅析半导体压阻式传感器的应用 J.科技资讯，2017（3）：39-40.2 杨超，肖小平，田云.正交并联式六维力传感器设计与标定方法 J.科技创新与应用，2022（33）：94-96.3 武秀秀，宋爱国，王政.六维力传感器静态解耦算法及静态标定的研究 J.传感技术学报，2013（6）：851-856.4 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.传感器主要静态性能计算方法：GB/T 184592001S.北京：中国标准出版社，2001.5 马俊青，宋爱国，吴涓.三维力传感器静态解耦算法的研究与应用 J.计量学报，2011（6）：517-521.