基于某应变片传感器的压力测量系统.doc

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1、word基于应变片传感器的压力测量系统摘要：本文简要介绍了压变式压力传感器与其工作原理。本项目主要利用应变片压力传感器将应变片阻值的变化量转换为弹性元件的微小应变，从而利用力、受力面积与应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。前言：随着科学技术的迅猛开展，传感器技术已越来越广泛地应用于多种技术领域。各类传感器中，压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、本钱低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制，并广泛应用于各种工业自控环境，涉与水利水电、铁路交通、生产自控、

2、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。本文针对电阻应变片压力传感器，对它的工作原理，材料选取、参数计算与电路设计以悬臂梁为例进展相关介绍。1.应变式压力传感器简介与工作原理压力是生产过程和航天、航空、国防工业中的重要过程参数，不仅需要对它进展快速动态测量，而且还要将测量结果作数字化显示和记录。因此压力传感器是极受重视和开展迅速的一种传感器。压力传感器的开展趋势是进一步提高动态响应速度、精度和可靠性以与实现数字化和智能化等。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压

3、力成一定关系的电信号。1.2应变片传感器简介常用压力传感器有电容式压力传感器、变磁阻式压力传感器、霍耳式压力传感器、光纤式压力传感器、谐振式压力传感器、电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器与膜片电极式压力传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以与较好的线性特性。它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等局部组成。1.3应变片传感器工作原理电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成局部之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电

4、阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂严密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在外表的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般把4个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一

5、般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示式中：金属导体的电阻率cm2/m；S导体的截面积cm2；L导体的长度m；图 电阻应变片的根本结构电阻应变片主要由四局部组成。如上图所示,电阻丝是应变片敏感元件;基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用,并使电阻丝和被测试件之间绝缘;引出线用以连接测量导线。2.电阻应变片压力传感器各种材料的选择和参数计算2.1弹性元件 弹性元件在传感器技术中占有极重要的地位。在

6、传感器工作过程中，一般由弹性敏感元件首先把各种形式的物理量变成应变量或位移量等，然后配合各种转换元件，把非电量转换为电量。选择弹性元件应遵循以下要求：（1） 强度高，弹性极限高；（2） 具有高的冲击韧性和疲劳极限；（3） 弹性模量温度系数小而稳定；（4） 热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性；（5） 热膨胀系数小；（6） 具有良好的机械加工和热处理性能；（7） 具有高的抗氧化、抗腐蚀性能；（8） 弹性滞后尽量小；常用材料：结构钢CrNiMo，30CrMnSiNi2A、铝合金、钛合金可知结构钢的弹性模量最大，热膨胀系数小，适合制作负重大的传感器。应当选用结构钢30CrMnSiNi2A，其抗拉应

7、力是1700Mpa，屈服强度是1000Mpa，弹性模量是211Gpa。 同时本次设计选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如下列图：图等截面梁作用力F与某一位置处的应变关系可按下式计算：式中：距自由端处的应变值；l梁的长度；E梁的材料弹性模量；b梁的宽度； h梁的厚度。通过设计，选取l=20mm,=14mm,b=10mm,h=3mm现校核如下：因此，选取是合理的。应变片的选择电阻应变片是主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。箔式应变片具有敏感栅薄而宽，粘贴性能好，传递应变性能好；散热性好，敏感栅弯头横向效应可以忽略；蠕变，机械滞后小，疲劳寿命长等优点，所以非常适合本次设计的应

8、用。选择4片箔式应变片BX120-02AA阻值为120，其基底尺寸是2.4mmmm。同时敏感珊的材料选择铂因为其灵敏系数达Ks，且其最高工作温度可以达800多摄氏度，栅长做到。应变片粘贴在距自由端处，R1和R4粘贴在梁的上方承受正应变，R2和R3如此与之对应粘贴在下方承受负应变。粘贴剂选择环氧树脂粘贴剂。 基底材料选择胶基，厚度为0.03mm-0.05mm。 引线材料采用直径为0.15-0.18mm的铬镍金属丝引线。 最后在安装后的应变片和引线上涂上中性凡士林油做防护作用，以保证应变片工作性能稳定可靠。 这样最大应变为：交流电桥的最大输出输入比为：3、测量电路的设计与计算3.1 电桥电路应变片

9、将应变的变化转换成电阻相对变化，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进展测量。常用的有两臂差动电路和全桥电路，如图3.1所示。一般电桥的输出电压为 图两臂差动电路与全桥电路两臂差动电桥电路的电压输出为设初始时，工作时一片受拉一片受压，即，如此可以简化为差动电桥电压灵敏度为同理采用四臂电桥，并设初始时，工作时，输出为四臂电桥的电压灵敏度为通过比拟半桥与全桥的灵敏度，四臂电桥电路的灵敏度高，应当选用四臂电桥电路。由于传感器输出的电压比拟小，因此需对其进展放大使之满足后续电路的处理要求。鉴于传感器输出可能杂有共模电压，为此，选取具有高共模抑制比的AD620作为放大器来达到净化信号电压

10、和充分节约本钱和制造的空间的目的。图 放大电路其放大增益为：为了将10mV的电压放大到10V，需要放大1000倍，为此选择分配级为5020，这里放大50倍，因此解得R44、误差分析误差的形成主要来源于温度误差，造成温度误差的原因主要有以下两个： 1、敏感栅电阻随温度变化引起误差 2、试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同，使应变丝产生附加拉长或压 缩，引起电阻变化。 这样的温度误差可以通过桥路进展补偿，如本设计中的全桥电路就很好地实现了温度的补偿；其次，电桥还具有非线性误差，由于对金属丝电阻应变片，电桥非线性误可以忽略，所以也不影响本次设计。 最后，对于如同工频等的干扰，我们尽量通过电路的优化除去干扰，如通过高共模抑制比仪放以与低通滤波器进展改良。因此，从理论上说，本次设计中的误差还是比拟好地得到了控制。【参考文献】1传感器设计与应用实例，少强，靖，中国电力；2传感器应用设计300例, 航空航天大学；3传感器应用与电路设计, 化学工业；4传感器原理与工程应用，郁有文、常健、程继红,电子科技大学；5传感器原理与应用，燕，大学。7 / 7