综合案例设计在传感器与测试技术课程教学中的(2)

2 传感器设计案例

2.1 称重传感器设计

本课程中设计了多种传感器的案例来提升学生综合应用多学科知识的能力。在第3章电阻式传感器讲授结束后，要求学生利用应变片设计一种称重传感器，以强化对“一个核心架构”的理解。

(1)结构设计和材料力学的知识：如图1所示，对于一个传感器测量系统，其关键在于设计合理的结构形式和敏感单元布置方式。以典型的悬臂梁称重器结构为例，首先需要对称重的过程进行力学模型的等效。如图2所示，称重物体在悬臂梁的右端。根据物体摆放实际位置的差异，末端受到物体重力F和弯矩M的作用。若将应变片粘贴在悬臂梁的上下表面，则对应电阻应变片测量到的应变可以根据材料力学公式进行计算：

图2 称重传感器的设计原理

其中，εi是应变片Ri处的应变，EI是悬臂梁的抗弯刚度。

(2)综合分析和电路理论的知识：因为称重是传感器设计目的，所以如何排除物体摆放位置差异产生的距离不确定和弯矩不确定，是本案例设计的重点。根据公式(1)和(2)，采用四个应变的线性组合可以得到：

这种线性组合方式，使得传感器的输出只与物体重力F，传感器布置的间距L和梁的抗弯刚度EI有关。采用如图2所示的四臂全桥电路，对应的电压输出UL和F的关系为：

据此，该传感器系统的输出仅与物体重力成正比，且能够消除温度对应变产生的影响，符合设计的要求。

本案例能够兼顾本专业学生在第二学年所学的材料力学知识和电路理论知识，同时符合案例设计的三个原则：①难度适中-能够最大程度的激发大多数学生的参与。在基础知识讲授之后，通过应用加深理解。②贴近生活-电子秤的应用背景能够向学生展示书本知识在现实生活中的应用，提高学生对课程的兴趣。③设计思维-通过巧妙的设计，排除温度、位置、附加弯矩等因素的影响，锻炼学生综合思考的能力，避免学生以死记硬背的方式掌握知识。

2.2 飞机腐蚀环境测量传感器设计

结合本专业航空背景，课程还介绍了多种航空传感器的设计过程，学科交叉特色鲜明。以飞机腐蚀环境测量传感器为例，飞机使用特点为使用率较低，平均年飞行小时数较少，大部分日历寿命消耗在地面停放过程中[6]。随着海上和沿海地区空军防务力量的日益增加，航空结构在空气湿度大、盐碱重、温度高的恶劣环境中长期停放，引起结构腐蚀破坏。为了有效监测结构表面微液膜与腐蚀相关参数变化，如pH值，很多新型航空传感器相继开发。

(1)电化学和结构设计的知识：选择合适的测量原理是传感器设计的关键。在对比光纤、场效应晶体管和酶电极等pH测量原理后，本例首先选择金属氧化物基电极在不同pH溶液中具有不同电势的原理进行传感器敏感单元的设计。根据能斯特方程可知，测试环境中pH传感器工作电极与参比电极的电位差ΔE为：

ΔE=E0-k·pH

其中，E0为参比电极电势，k为传感器的灵敏度。因此，采用Ag/AgCl为参比电极，RuO2-TiO2为工作电极的pH传感器为一个近似线性传感器。考虑到飞机结构表面的微液膜厚度较薄，为了使得工作电极能够充分的与微液膜接触，其结构设计如图3所示。通过楔形槽口的设计，使得微液膜汇聚在工作电极表面，产生的电势更加稳定。类比课程中热电偶的测量方式，该传感器采用阵列式结构设计，通过并联和串联电极的方式减小测量误差。课堂中通过实物展示的方式让学生对结构示意图有更加直观的认识。

图3 飞机腐蚀环境pH测量传感器

(2)电路理论和传感器标定的知识：由于工作电极和参比电极之间的电位差在几十mV/pH的量级，转换电路采用二级放大器进行设计，起到增大负载阻抗与信号增益的效果。由于测量环境中的pH变化缓慢，传感器着重测试其静态特性指标，量程为pH=2-10。标定实验选用绝对标定法，通过量程范围内pH间隔为1的标准溶液，并置入盐雾箱中模拟不同pH值微液膜的产生，测量传感器在不同pH环境下的稳态输出电压，得到输入输出关系。结合本课程所介绍的静态特性定义，给出pH传感器灵敏度、线性度、迟滞、重复性的计算过程。通过课堂动手计算的练习，巩固传感器特性的基本概念。该类传感器由于测量物理量的特殊性，实际工程应用中还需要对其它离子的抗干扰能力进行标定，如Na+，K+等。最终验证所设计的传感器适合飞机停放/飞行环境中结构表面微液膜pH值的测量要求。

文章来源：《测试技术学报》 网址: http://www.csjsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0225/530.html