基于電阻應變片的壓力傳感器設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上基于電阻應變片的壓力傳感器設計 一、設計初衷：隨著技術的進步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應用到各行各業(yè),實現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱量，特別是隨著微處理機的出現(xiàn)，工業(yè)生產過程自動化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控制等，都應用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領域。本設計的稱重傳感器就是利用應變片阻值的變化量來確定彈性元件的微小應變，從而利用力，受力面積及應變之間的關系來確定力的大小

2、，進而求得產生作用力的物體的質量。應變片阻值的變化可以通過后續(xù)的處理電路求得。傳感器的設計主要包括彈性元件的設計和處理電路的設計。由于傳感器輸出的信號是微弱信號，故需要對其進行放大處理；由于傳感器輸出的信號里混有干擾信號，故需要對其進行檢波濾波；由于傳感器輸出的信號通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓），故需要設計共模抑制電路。除此之外，還要設計調零電路。 二、初始條件：采用電阻應變片設計測量力、壓力、加速度、位移等物理量的傳感器，設計時自行確定被測變量及測試范圍，并根據測量的需要選擇應變片的型號、數(shù)量、粘貼方式以及彈性元件的結構形式、相關測試電路等。三、方案的選擇 此次傳感器課程設計選用

3、應變式拉壓傳感器。設計中只要把應半片貼在承受負載的彈性元件上，通過測量彈性元件的應變大小即可求出對應的負載大小，而彈性元件的應變大小可以通過應變片電阻大小的變化量來求得。故可以通過選擇不同的彈性元件和測量電路來提出不同的方案。 四、方案的制定 1、根據彈性體的結構形式的不同可分為：輪輻式，梁式，環(huán)式，柱式等。在測量拉/壓力上主要用到的是柱式傳感器。柱式傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種，如圖1.1所示。（a是實心，b是空心） 1.1 柱式傳感器的彈性元件 應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。常用的有兩臂差動電橋和全橋電路，如

4、圖1.2所示。 圖1.2 直流電橋電路2、電路轉換部分一般電橋的輸出電壓為 (2-1)如圖1. 2，兩臂差動電橋電路的電壓輸出為 （2-2)設初始時,工作時一片受拉一片受壓，即,則式（3-11）可以簡化為 （2-3）差動電橋電壓靈敏度為 （2-4）同理若采用四臂電橋，如圖3.2所示并設初始時，工作時時，輸出為 （2-5）四臂電橋的電壓靈敏度為 （2-6）通過比較其電壓靈敏度知四臂電橋（全橋）電路的靈敏度高，故選用四臂電橋電路。3、 應變片的選擇電阻應變片五、測量電路的設計與計算1電橋電路的設計與計算依照課程設計中的方案選擇知使用的電橋為全橋電路。在實際測量中，作用力不可能正好通過柱體的中心軸線

5、，所以這樣的柱體彈性元件除了受到拉（壓）外，還受到橫向力和彎矩。通過圖5.1所示應變片的粘貼、連接方法可以減小這種影響。 圖5.1 應變片的粘貼和連接方法圖中各應變片上的應變分別為 式中：為溫度引起的虛假應變。根據橋式電路輸出為 （5-1）電橋電壓靈敏度為 （5-2）電路設計中，應變片的連接如右圖所示，對應圖6.1所示的應變片接法。所選用的是全橋形式的差動電橋，且為提高電橋靈敏度或進行溫度補償，每個橋臂都安置兩個應變片。此外，由于在零壓力時，傳感器大約有2mV的不平衡輸出，并且放大器有輸入失調電壓，因此，用組成的電橋電路進行零位調整。通過改變電位器 圖5.2 全橋的電路設計的值，可改變補償電壓

6、的大小，以使得零壓力時U0=0V，為了保證足夠的調整精度，電位器為多圈電位器。2、誤差來源與精度分析電阻應變片引起的誤差用應變片測量時，由于環(huán)境溫度所引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產生很大的測量誤差。造成應變片溫度誤差的原因主要有兩個：應變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。設環(huán)境引起的構件溫度變化為t（）時，粘貼在試件表面的應變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為 ，則應變片產生的電阻相對變化為 （7-1）由于敏感柵材料和被測構件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當t 存在時，引起應變片的附加應變，相應的電阻相對變化為 (7-2)式中：K為應變片靈敏系數(shù)；為試件線膨脹系數(shù)；為應變片敏感柵材料線膨脹系數(shù)。因此由于溫度變化引起的總電阻相對變化為： （7-3）通常，在常溫應變測量中采用橋路補償法，如圖6.1所示，這種方法簡單，經濟，補償效果好。 電橋的非線性誤差實際電橋電壓與應變片的電阻相對變化為非線性關系，如式（7-4）所示，當電阻變化量很小至可以忽略不計，或則遠小于1時，電橋電壓與電阻相對變化可以