基于应变电阻的柱式压力传感器

基于应变电阻的柱式压力传感器20081224邹欣宜20081128王晟楠前言传感器技术在当代科技领域占有十分重要的地位。所谓传感器就是能够规定的被测量并按一定规律转换成可用于输出信号的器件或装置。传感器的种类很多，其中的电阻应变式传感器就是应用及其广泛的一种。电阻应变式传感器具有悠久的历史。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感。电阻应变式传感器具有以下很多优点：1.结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；2.易于实现测试过程自动化合多点同步测量、远距离测量和遥测；3.灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；4.可以测量多种物理量。电阻应变式传感器的结构和工作原理很简单。电阻应变式式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生变形，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，测量电阻应变片的电阻值变化就可以确定被测量的大小了。传感器的工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变片传感器的核心元件。柱式力传感器原理图梁式力传感器原理图传感器的组成结构其中：（1）敏感元件直接感受被测物理量，如在应变式传感器中为弹性元件；（2）传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件；（3）测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路，使用较多的是电桥电路。由于传感器元件输出的信号一般较小，大多数的测量电路还包括放大电路，有的还包括显示器，直接在传感器上显示出所测量的物理量；（4）辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。方案选择类型负载能力精度线性度工艺性体积轮辐式大高好较复杂较小梁式小高较好简单小环式较大高好较复杂小柱式大较高较好简单大结论：对以上各种形式的传感器进行比较，由于柱式传感器具有负载能力大，精度较高，加工工艺简单，线性度较好等特点，本设计选用柱式传感器作为设计制作元件。设计流程1.选择构造形式，确定贴片数量、位置及接桥线路2.选材：敏感原件弹性原件柱形应变式力传感器设计原理柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形，用于测量较大的力。最大量程可达10。在载荷较小时(1～100kN)，为便于粘贴应变片和减小由于载荷偏心或侧向分力引起的弯曲影响，同时为了提高灵敏度，多采用空心柱体。四个应变片粘贴的位置和方向应保证其中两片感受纵向应变，另外两片感受横向应变(因为纵向应变与横向应变是互为反向变化的)，如图所示。在实际测量中，被测力不可能正好沿着柱体的轴线作用，而总是与轴线之间成一微小的角度或微小的偏心，这就使得弹性柱体除了受纵向力作用外，还受到横向力和弯矩的作用，从而影响测量精度。有三种应力被应用于称重传感器的设计中，即拉伸与压缩应力，弯曲应力和剪切应力。构型图考虑到圆筒金属材料容易找，且受力合理，弹性元件采用空心柱式，贴八个应变计，贴在圆筒中部四等分圆周上，其中有四个轴向片和四个横向片，选取应变片粘贴位置时，要把应变片中的四片粘贴在最大正应变处，另四片放在负的最大应变处，这样可获得最大的灵敏度，圆柱体轴向就是最大正应变处，圆柱体的环向即为最大负应变处，故应变片贴在圆筒中部四等分圆周上，贴片位置如图所示，接入串联全桥电路，电阻应变片的结构和工作原理电阻式传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器大致分为两类：电阻应变式和电位计式。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。压力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一种电阻应变式传感器。传统的电阻应变式压力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器。如图7所示，将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外施压力作用时，弹性敏感元件将产生应变，电阻应变片将它们转换成电阻变化，再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。它是目前应用较多的压力传感器之一，因具有结构简单、使用方便、测量速度快等特点而广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等诸多领域。电阻应变敏感元件的设计电阻应变敏感元件的设计应变片材料的选择（1）灵敏系数和电阻率要尽可能高而稳定，电阻率与机械应变之间应该具有良好而宽广的线性关系；（2）电阻温度系数要小，电阻—温度间的线性关系和重复性好；（3）机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；（4）抗氧化、耐腐蚀性能强、无明显机械滞后。制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁镍铬合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等，本设计选择康铜箔片作为敏感栅材料。康铜这种材料容易得到，价格便宜，其电阻温度系数较小。电阻应变敏感元件的设计应变片基底材料基底的作用是固定应变计的敏感栅，使它保持一定的几何形状，并使电阻敏感栅与弹性元件相互绝缘。所以它是电阻应变计的重要组成部分。应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸类逐渐被胶基（有机聚合物）取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成膜，厚约0.03—0.05mm.对基底材料性能的要求有如下要求：（1）机械强度高，挠性好；（2）粘贴性能好；（3）电绝缘性能好；（4）热稳定性好和抗湿性好；（5）无滞后和蠕变。所以可以选用玻璃纤维布作为基底材料。电阻应变敏感元件的设计引线材料引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线，一般要求引出线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。常温应变计引出线多用镀银紫铜丝或铜带，高温应变计多采用镍铬、银、铂或铂铬等。高疲劳寿命的应变计采用铍青铜作引出线。引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。康铜丝敏感栅应变片引线采用直径为0.05—0.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。电阻应变敏感元件的设计粘合剂电阻应变片工作时总是被粘贴在试件或传感器的弹性元件上。在测试被测量时粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。所以粘合剂与粘贴技术对于测量结果有直接作用粘合剂的要求有：（1）有一定的粘结强度；（2）能准确传递应变；（3）蠕变小；（4）机械滞后小；（5）耐疲劳、性能好（6）长期稳定性好；（7）能够足够的稳定性能；（8）对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用（9）有适当的贮存期（10）有较大的使用温度范围。电阻应变敏感元件的设计应变极限对于已安装好的应变计，在一定温度下，指示应变与被测试件真实应变的相对误差不超过一定值（一般为10%)时，所能测量的最大真实应变值称为应变极限。我们要求应变片的应变极限至少要大于1000×10-6。影响应变极限的主要因素是粘结剂和基底材料传递变形的能力，以及应变片的安装质量。为了减小此影响，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，以及合理的粘贴安装。基底和粘结剂的厚度不要太大，并应适当地进行固化处理，才能获得较高的应变极限。而工作温度的升高会使应变极限下降。电阻应变敏感元件的设计应变片的电阻值是指未安装的应变片，在不同的外力作用下，在室温条件下测定的电阻值，也称为原始电阻值。应变片电阻值国内标准有：60、120、350、600和1000等各种阻值，目前传感器生产中大多数选用120Ω或350Ω的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器长期使用的稳定性。因此，在不考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。我们选用电阻值为120的应变片。电阻应变敏感元件的设计应变片的结构选择丝式应变片：制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。但回线式应变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。箔式应变片：表面积大、散热性能好，静态、动态特性好，可通过较大工作电流，横向效应小，蠕变、机械滞后小，疲劳寿命高，但工艺复杂。半导体应变片：灵敏系数大，动态特性好，但重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。根据测量条件，选用丝式应变片作为敏感元件。弹性元件的设计弹性元件材料选择弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换和测量，所以对它有一定要求。在任何情况下，它应该保证有良好的弹性特性，足够的精度和稳定性，在长时间中使用和温度变化时都应该保持稳定的性能。因此对材料的基本要求是：（1）弹性滞后和弹性后效小；（2）弹性模数和温度系数要小；（3）线膨胀系数要小且稳定；（4）弹性极限和强度极限要高；（5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性；（6）具有良好的机械加工性能和热处理性能。参数计算在负载在实验报告中弹性元件的选取弹性元件的材料应具有高强度、高弹性极限、低弹性模量、稳定的物理性质及良好的机械加工和热处理性能。由于是简易制作故开始时选择铝制易拉罐作为弹性元件，后从实验中得知其强度过低故改用铁制易拉罐代替电桥的设计根据选择的传感器弹性元件的形状选择的电桥为单臂电桥各桥臂应变为：则读数应变应为：即桥臂系数为-2(1+).可见此种接线方法可以消除偏压产生的影响。灵敏度荷载:灵敏度为:K=所需材料及设备1.弹性元件：雀巢咖啡罐（铁制），外径D=52.760mm，内径d=52.160mm，厚t=0.600mm，高H=103.980mm，泊松比。2.贴片时所用的材料：502胶水、螺丝刀、镊子、焊锡、焊锡膏、万能表、电烙铁、氟塑料薄膜、药棉等。3.其他：应变片八个、导线若干、电阻应变仪、预调平衡箱、接线端子等。传感器制作过程贴片先检查外观是否合格；用万用表检查是否短路和断路；测出电阻值并记录。将试件贴片位置用砂纸打磨除锈，将贴片处擦洗干净。测点定位：在贴片处画出纵向、横向中心线。焊接引出线固化处理连接桥路系数标定谢谢观看