薄膜压力传感器在散堆粮实仓中的应用

马世举

摘 要：金属箔式应变片以制作方便、价格便宜、使用简单、测量可靠等特点而广泛用于工程结构或部件的应变测量及制造各种物理量传感器，特别是在测力、称重传感器和压力传感器等领域尤为明显。文章利用金属箔式应变片制作的薄膜压力传感器对散堆粮实仓底部压力进行测定，旨在分析薄膜压力传感器在散堆粮实仓中测试满仓仓底压力是否具有可行性。

关键词：薄膜压力传感器；敏感栅；实仓；底部压力

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0051-02

粮食是一种散粒体，具有散体典型的力学特性。粮堆中粮粒的大小、饱和程度、破碎是不同的，杂质的大小和轻重也不一样，粮堆是非均匀的介质。因此，散堆粮底部压力测定一直是一个难以解决的问题。本文尝试研究薄膜压力传感器在散堆粮实仓中的应用，旨在探究薄膜压力传感器是否适用于散堆粮底部压力的测定。

1 薄膜压力传感器的测压原理

薄膜压力传感器的最主要组成部分是敏感栅。敏感栅可以看成为一根电阻丝，其材料性能和几何形状的改变会引起栅丝的阻值变化。

设一根金属电阻丝，其材料的电阻率为ρ，原始长度为L。不失一般性，假设其横截面是直径为d的圆形，直径d受拉伸后变细为d'，面积为A，初始时该电阻丝的电阻值为R。

由物理学可知，具有均匀截面的金属导体的电阻为：

如果金属导体受到变形？着，其电阻R将发生变化，即：

将式（2）取对数进行微分，得：

在外力作用下，电阻丝会产生变形。假设电阻丝沿轴向伸长，其横向尺寸会相应缩小，横截面的半径减少导致横截面面积发生变化。于是有下式：

其中，μ为金属丝材料的泊松比；为金属导线长度的相对变化，用应变表示，即：

把公式（4）、（5）同时代入式（3），则得：

由于金属导体电阻的相对变化量与其所受的应变呈比例，即：

于是式（7）可改写为：

在式（8）中，前一项是由金属丝变形后电阻率发生变化所引起的；后一项是由金属丝变形后几何尺寸发生变化所引起的。Ks为单根金属丝的灵敏系数。表示金属丝的电阻变化率与它的轴向应变成线性关系。根据这一规律，采用能够较好地在变形过程中产生电阻变化的材料，制造将应变信号转换为电信号的电阻应变片。再由公式：

就可以求得散堆粮实仓底部压力。

2 试验过程及数据采集

2.1 薄膜压力传感器的介绍

目前，薄膜压力传感器应用最为广泛的是以各种应变电阻合金箔为敏感栅的金属箔式应变片。箔式应变片是利用光环学技术把金属电阻箔蚀刻成各种敏感栅，常用的箔材厚度为3 ？滋m，最薄的箔材厚度可达1 ？滋m。由此组成的各种应变片具有形状多样化、允许电流大、柔性好、耐疲劳寿命高、承受大变形能力强、横向效应小、蠕变特征好、成本低、效率高等特点。目前尽管应变片的形式很多，结构各异，但归纳起来各种应变片大都是由应变敏感栅（丝或箔）、胶粘剂、基底、覆盖层和引线等部分组成。此次试验所用的薄膜压力传感器实物，如图1所示，箔式应变片基本结构，如图2所示。

2.2 薄膜压力传感器的标定

薄膜压力传感器的标定方法有液压标定、气压表定、土介质标定，该实验采取水压标定检验薄膜压力传感器的性能指标及传递特性是否满足要求。包括：量程、分辨率、精度、稳定性及传递特性（非线性度、滞后、重复性），参照薄膜压力传感器出厂时的标定数值，判薄膜压力传感器精度是否合格。标定完成后让一重量为60 kg的人站在薄膜压力传感器上进行复核，结果如图3所示，薄膜压力传感器测定的人体重量为57.1 kg，标定误差在允许范围内薄膜压力传感器可以使用。

2.3 实验过程

将薄膜压力传感器铺设在模拟实仓（长6 m，跨度9 m，最大储粮高度6 m，总仓容重243 t）底部，进粮方式采用机械化进粮。待粮食进到5.37 m平定粮面后，开始初次测量薄膜压力传感器数值并用薄膜压力分布测试系统I-SCAN软件采集实仓底部压力数值，测试数据2～4 d采集一次，采集次数16次，持续时间40 d。粮堆底部压力变化趋势，如图4所示。

由薄膜压力传感器采集数据图可知，经过进粮后粮食的自然沉降，总体上看散粮堆底部压力随着时间的增加而呈现出逐渐增大的趋势。但是当自然沉降到一定程度后，粮堆底部压力又呈现稍许下降趋势，下降后又逐渐增大的反复过程。

3 试验结果分析

粮食的力学特性是比较复杂的，本实验采用薄膜压力传感器测定散粮堆实仓底部压力的变化趋势，从采集数据上看粮堆底部压力分布是非均匀的。粮堆底部压力的影响因素较多，本文主要反映粮堆自然沉降过程中底部压力的变化情况。另外，本文为粮堆底部压力的测定提供了思路具有一定的参考价值。说明了薄膜压力传感器运用于粮堆底部压力的测定有一定的可行性。同时，此次试验也存在很多不足，如薄膜压力传感器的标定存在误差，薄膜压力传感器的铺设单一不能系统的反应粮堆底部压力变化情况，在下一步的研究中可以尝试在散粮堆实仓底部满仓铺设薄膜压力传感器，更近一步的研究薄膜压力传感器在散堆粮实仓中的应用。

参考文献：

[1] 尹福炎.电阻应变片与应变传递原理研究[M].北京：国防工业出版社，2011.

[2] 王录民，刘永超，许启铿，等.散粮堆底部压力实测研究[J].河南工业大学学报，2013，（4）.