基于电阻应变片的压力传感器设计

基于电阻应变片的压力传感器设计一、设计初衷：随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。本设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及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。应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。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。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。二、初始条件：采用电阻应变片设计测量力、压力、加速度、位移等物理量的传感器，设计时自行确定被测变量及测试范围，并根据测量的需要选择应变片的型号、数量、粘贴方式以及弹性元件的结构形式、相关测试电路等。三、方案的选择此次传感器课程设计选用应变式拉压传感器。设计中只要把应半片贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小，而弹性元件的应变大小可以通过应变片电阻大小的变化量来求得。故可以通过选择不同的弹性元件和测量电路来提出不同的方案。四、方案的制定1、根据弹性体的结构形式的不同可分为：轮辐式，梁式，环式，柱式等。在测量拉/压力上主要用到的是柱式传感器。柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种，如图1.1所示。（a是实心，b是空心）1.1柱式传感器的弹性元件应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。常用的有两臂差动电桥和全桥电路，如图1.2所示。图1.2直流电桥电路2、电路转换部分一般电桥的输出电压为))((43213241ioRRRRRRRRUU(2-1)如图1.2，两臂差动电桥电路的电压输出为))(()(432211322411ioRRRRRRRRRRRRUU）（…（2-2)设初始时RRRRR4321,工作时一片受拉一片受压，即RRR21,则式（3-11）可以简化为22iioURRUU（2-3）差动电桥电压灵敏度为2iUU（2-4）同理若采用四臂电桥，如图3.2所示并设初始时RRRRR4321，工作时RRRRR2341时，输出为iioUURRU（2-5）四臂电桥的电压灵敏度为iUU（2-6）通过比较其电压灵敏度知四臂电桥（全桥）电路的灵敏度高，故选用四臂电桥电路。3、应变片的选择电阻应变片五、测量电路的设计与计算1电桥电路的设计与计算依照课程设计中的方案选择知使用的电桥为全桥电路。在实际测量中，作用力不可能正好通过柱体的中心轴线，所以这样的柱体弹性元件除了受到拉（压）外，还受到横向力和弯矩。通过图5.1所示应变片的粘贴、连接方法可以减小这种影响。图5.1应变片的粘贴和连接方法图中各应变片上的应变分别为t4411''t3322''式中：t为温度引起的虚假应变。根据桥式电路输出为itio1]2121[144UUU）（）（）（（5-1）电桥电压灵敏度为i1UU）（（5-2）电路设计中，应变片的连接如右图所示，对应图6.1所示的应变片接法。所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV的不平衡输出，并且放大器有输入失调电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调整。通过改变电位器图5.2全桥的电路设计的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U0=0V，为了保证足够的调整精度，电位器为多圈电位器。2、误差来源与精度分析电阻应变片引起的误差用应变片测量时，由于环境温度所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差。造成应变片温度误差的原因主要有两个：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为α，则应变片产生的电阻相对变化为t)(t1RR（7-1）由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为t)()(sgt2RR(7-2)式中：K为应变片灵敏系数；g为试件线膨胀系数；s为应变片敏感栅材料线膨胀系数。因此由于温度变化引起的总电阻相对变化为：t)(t)()()(sgt2t1tRRRRRR（7-3）通常，在常温应变测量中采用桥路补偿法，如图6.1所示，这种方法简单，经济，补偿效果好。电桥的非线性误差实际电桥电压与应变片的电阻相对变化为非线性关系，如式（7-4）所示，当电阻变化量很小至可以忽略不计，或则远小于1时，电桥电压与电阻相对变化可以认为是线性的。RRRRRRRRRRRRRRL2])()(1[2232（7-4）电路的灵敏度电路灵敏度为应变片灵敏度，桥路灵敏度，三运放电路增益以及滤波电路增益之积，即PUA1s（7-5）由式（6-2），(6-8),(6-9)，并取s=2.0得i1718913o87)1(1)1(0.2URRRRRRR）（（7-6）