基于电阻应变片的压力传感器设计

.Word资料目录1.绪论...............................................................................................................22.方案的选择....................................................................................................32.1方案的制定..........................................................................................32.2方案的确定..........................................................................................33.弹性元件.......................................................................................................53.1弹性元件材料选择...............................................................................53.2弹性元件受力分析...............................................................................53.3弹性元件尺寸设计...............................................................................63.4强度校核.............................................................................................74.应变片的选择................................................................................................84.1应变片类型的选择...............................................................................84.2阻值的选择..........................................................................................84.3材料的选择..........................................................................................84.4应变片的粘贴......................................................................................85.测量电路的设计...........................................................................................105.1电桥电路...........................................................................................105.1.1电桥选择.................................................................................105.1.1电桥输出.................................................................................105.2放大电路...........................................................................................115.3检波电路...........................................................................................125.4低通滤波电路....................................................................................14.Word资料5.5直流放大电路....................................................................................156.ADC转换模块............................................................................................167.误差分析.....................................................................................................178.总结.............................................................................................................17参考文献........................................................................................................17附录1.............................................................................................................18附录2.............................................................................................................19基于电阻应变片的压力传感器设计1.绪论本次课程设计的是一个基于电阻应变片的压力传感器，参考实物为YPR-8传感器，实物图如图1.1所示，主要技术指标如表一所示。本次设计选择的指标如表2。电阻应变式压力传感器的工作原理是，把应变片贴在测量压力的弹性元件上，当被测压力发生变化时，弹性元件内部应力的变化使得应变片的阻值随之改.Word资料变，通过测量电阻来测得压力。电阻应变式压力传感器主要是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成。图1.1YPR-8实物图表1主要技术指标表2选择的技术指标规格100MPa灵敏度1.25mV/V过载能力120%F.S激励电压10V2.方案的选择.Word资料2.1方案的制定在测量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3.1.1所示图2.1.1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△R/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2.1.2所示图2.1.2直流电桥电路2.2方案的确定柱式以实心或空心圆形或方形主体作为弹性元件，其特点是结构简单、紧凑、易于加工，可设计成压式或拉式，或拉压两用型，可承受最大载荷107N，用于.Word资料大、中量程的传感器，且对于空心圆柱型，灵敏度和抗横向干扰可得到提高。本次的设计要求为测量范围为0～100MPa的压力传感器，所以取空心圆柱体作为弹性元件。电路转换部分：一般电桥的输出电压为（2-1）两臂差动电桥电路的电压输出为（2-2）设初始时R1=R2=R3=R4=R,工作时一片受拉一片受压，即△R1=-△R2=△R，则式（2-2）可以简化为（2-3）差动电桥电压灵敏度为KU=（2-4）同理若采用四臂电桥，设初始时R1=R2=R3=R4=R，工作时△R1=△R4=△R3=-△R2=△R时，输出为（2-5）四臂电桥的电压灵敏度为KU=Ui（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，故选用全桥电路。.Word资料.Word资料3.弹性元件3.1弹性元件材料选择空心圆柱常取的的材料有结构钢（30CrMnSiNi2A、CrNiMo）、铝合金、钛合金等。材料的弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数如表2所示。表2常用材料弹性模量泊松比通过比较知结构钢的弹性模量最大，热膨胀系数最小，适合应用制作负重大的传感器，故在本次课程设计中选取结构钢30CrMnSiNi2A作为弹性元件的材料，材料的弹性模量E=200GPa，弹性极限σb=1080MPa。3.2弹性元件受力分析轴向应力分析：如图3.2.1所示。内压产生的轴向合力与壳壁横截面上的轴向总压力相等，则D2p=（3-1）可得：.Word资料图3.2.1轴向应力周向应力分析：如图3.2.2所示（3-2）可得：图3.2.2周向应力3.3弹性元件尺寸设计本次设计灵敏度设计为1～1.5mV/V，应变片布片方式如图3.2.1所示R1R4为工作应变片，R2R3为温度补偿片，电桥如图3.2.2所示。取µ=0.5，g=9.8m/s2。电桥的输出表达式为iUKU210（3-3）.Word资料即KUU21i0（3-4）取应变片灵敏系数K=2，=1.5mV/V，带入上式得到应变最大值为1.0×10-3，所以取[ε]=1.0×10-3。图3.2.1布片方式图3.2.2桥路连接方式由理论力学知道筒性薄壁压力容器（3-5）式中，p为被测压力，d为筒内径，t为筒壁厚又可得[ε]（3-6）代入数据可求得/_D_D则弹性元件的外径不可取太小，否则会由于力的偏心造成很大的误差。所以取外径D=15mm,则内径d=10mm，所以壁厚t=2.5mm。应变柱的有效工作长度为.Word资料gwl～1.52.12dt5.2l（3-7）式中，lg为贴应变片所需长度。代入数据后可得lw=(21.3～24.3)mm，柱高的确定：对于圆柱筒式传感器有H≥D-d+L，为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高h应当选的小一些，所以可取h=30mm。3.4强度校核由于壁薄，还需要检验是否会出现局部失稳，薄壁管的失稳临界应力为2bm-13Dd21Et（3-8）校核在过载120%情况下，σbm=26.67GPaσb，所以在过载120%情况下不会出现局部失稳现象。.Word资料4.应变片的选择4.1电阻应变片类型的选择电阻应变片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。本次课设内容为设计筒式压力传感器，在工作中受轴向压应力。对于丝式应变片，丝绕式的弯曲部在轴向应力作用下的变形会使其横向效应较大，短接式焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，不适用于动态应变测量，所以不选用丝式应变片，而.Word资料选用箔式应变片。箔式应变片是由光刻或腐蚀技术制成的，敏感栅厚度为0.003mm～0.01mm，其由许多优点，敏感栅与基片接触面积大，散热性能好，且易批量生产，电阻均匀，离散型小，可制成任意形状以适应不同的要求。4.2阻值的选择国家标准中电阻应变片的阻值规定为60、120、200、350、500、1000Ω，电阻值越大的应变片，