基于應(yīng)變電阻的柱式壓力傳感器課件

基于應(yīng)變電阻的柱式壓力傳感器2008122420081128前言傳感器技術(shù)在當(dāng)代科技領(lǐng)域占有十分重要的地位。所謂傳感器就是能夠規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用于輸出信號的器件或裝置。傳感器的種類很多，其中的電阻應(yīng)變式傳感器就是應(yīng)用及其廣泛的一種。

電阻應(yīng)變式傳感器具有悠久的歷史。將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可構(gòu)成測量位移、力、力矩、壓力等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感。電阻應(yīng)變式傳感器具有以下很多優(yōu)點：1.結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；2.易于實現(xiàn)測試過程自動化合多點同步測量、遠(yuǎn)距離測量和遙測；3.靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；4.可以測量多種物理量。

電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理很簡單。電阻應(yīng)變式式傳感器由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成。彈性元件在感受被測量時將產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變。而粘貼在敏感元件表面的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生變形，因此電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這樣，測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化就可以確定被測量的大小了。傳感器的工作原理

電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成。彈性敏感元件在感受被測量時將產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變。而粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，因此電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這樣，通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，就可以確定被測量的大小了。彈性敏感元件的作用就是傳感器組成中的敏感元件，要根據(jù)被測參數(shù)來設(shè)計或選擇它的結(jié)構(gòu)形式。電阻應(yīng)變片的作用就是傳感器中的轉(zhuǎn)換元件，是電阻應(yīng)變片傳感器的核心元件。

柱式力傳感器原理圖

梁式力傳感器原理圖

方案選擇類型負(fù)載能力精度線性度工藝性體積輪輻式大高好較復(fù)雜較小梁式小高較好簡單小環(huán)式較大高好較復(fù)雜小柱式大較高較好簡單大結(jié)論：對以上各種形式的傳感器進(jìn)行比較，由于柱式傳感器具有負(fù)載能力大，精度較高，加工工藝簡單，線性度較好等特點，本設(shè)計選用柱式傳感器作為設(shè)計制作元件。設(shè)計流程1.選擇構(gòu)造形式，確定貼片數(shù)量、位置及接橋線路2.選材：敏感原件

彈性原件柱形應(yīng)變式力傳感器設(shè)計原理

柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。最大量程可達(dá)10。在載荷較小時(1～100kN)，為便于粘貼應(yīng)變片和減小由于載荷偏心或側(cè)向分力引起的彎曲影響，同時為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變(因為縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變是互為反向變化的)，如圖所示。在實際測量中，被測力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線之間成一微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測量精度。有三種應(yīng)力被應(yīng)用于稱重傳感器的設(shè)計中，即拉伸與壓縮應(yīng)力，彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理電阻式傳感器的工作原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值，通過測量此電阻值達(dá)到測量非電量的目的。這類傳感器大致分為兩類：電阻應(yīng)變式和電位計式。利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù)。壓力傳感器是將壓力這個物理量轉(zhuǎn)換成電信號的一種電阻應(yīng)變式傳感器。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器是一種由敏感柵和彈性敏感元件組合起來的傳感器。如圖7所示，將應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件受到外施壓力作用時，彈性敏感元件將產(chǎn)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片將它們轉(zhuǎn)換成電阻變化，再通過電橋電路及補償電路輸出電信號。它是目前應(yīng)用較多的壓力傳感器之一，因具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量速度快等特點而廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、電力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。電阻應(yīng)變敏感元件的設(shè)計電阻應(yīng)變敏感元件的設(shè)計應(yīng)變片材料的選擇（1）靈敏系數(shù)和電阻率要盡可能高而穩(wěn)定，電阻率與機(jī)械應(yīng)變之間應(yīng)該具有良好而寬廣的線性關(guān)系；（2）電阻溫度系數(shù)要小，電阻—溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好；（3）機(jī)械強(qiáng)度高，輾壓及焊接性能好，與其他金屬之間接觸熱電勢??；（4）抗氧化、耐腐蝕性能強(qiáng)、無明顯機(jī)械滯后。制作應(yīng)變片敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鎳鉻合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，本設(shè)計選擇康銅箔片作為敏感柵材料?？点~這種材料容易得到，價格便宜，其電阻溫度系數(shù)較小。電阻應(yīng)變敏感元件的設(shè)計應(yīng)變片基底材料基底的作用是固定應(yīng)變計的敏感柵，使它保持一定的幾何形狀，并使電阻敏感柵與彈性元件相互絕緣。所以它是電阻應(yīng)變計的重要組成部分。應(yīng)變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙類逐漸被膠基（有機(jī)聚合物）取代，因為膠基各方面性能都好于紙基。膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膜，厚約0.03—0.05mm.對基底材料性能的要求有如下要求：（1）機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好；（2）粘貼性能好；（3）電絕緣性能好；（4）熱穩(wěn)定性好和抗?jié)裥院?；?）無滯后和蠕變。所以可以選用玻璃纖維布作為基底材料。電阻應(yīng)變敏感元件的設(shè)計粘合劑電阻應(yīng)變片工作時總是被粘貼在試件或傳感器的彈性元件上。在測試被測量時粘合劑所形成的膠層起著非常重要的作用，它應(yīng)準(zhǔn)確無誤地將試件或彈性元件的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片的敏感柵上去。所以粘合劑與粘貼技術(shù)對于測量結(jié)果有直接作用粘合劑的要求有： （1）有一定的粘結(jié)強(qiáng)度； （2）能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變； （3）蠕變小； （4）機(jī)械滯后小； （5）耐疲勞、性能好 （6）長期穩(wěn)定性好； （7）能夠足夠的穩(wěn)定性能； （8）對彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用 （9）有適當(dāng)?shù)馁A存期 （10）有較大的使用溫度范圍。電阻應(yīng)變敏感元件的設(shè)計應(yīng)變極限對于已安裝好的應(yīng)變計，在一定溫度下，指示應(yīng)變與被測試件真實應(yīng)變的相對誤差不超過一定值（一般為10%)時，所能測量的最大真實應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。我們要求應(yīng)變片的應(yīng)變極限至少要大于1000×10-6。影響應(yīng)變極限的主要因素是粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的能力，以及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。為了減小此影響，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料，以及合理的粘貼安裝?；缀驼辰Y(jié)劑的厚度不要太大，并應(yīng)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行固化處理，才能獲得較高的應(yīng)變極限。而工作溫度的升高會使應(yīng)變極限下降。電阻應(yīng)變敏感元件的設(shè)計應(yīng)變片的電阻值是指未安裝的應(yīng)變片，在不同的外力作用下，在室溫條件下測定的電阻值，也稱為原始電阻值。應(yīng)變片電阻值國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有：60、120、350、600和1000等各種阻值，目前傳感器生產(chǎn)中大多數(shù)選用120Ω或350Ω的應(yīng)變片，但是由于大阻值應(yīng)變片具有通過電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)工作時間長、動態(tài)測量信噪比高等優(yōu)點，并且大阻值應(yīng)變片可以減小應(yīng)變焦耳熱引起的零漂，提高傳感器長期使用的穩(wěn)定性。因此，在不考慮價格因素的前提下，使用大阻值應(yīng)變片，對提高傳感器精度是有益的。我們選用電阻值為120的應(yīng)變片。彈性元件的設(shè)計彈性元件材料選擇彈性敏感元件在傳感器中因為直接參與變換和測量，所以對它有一定要求。在任何情況下，它應(yīng)該保證有良好的彈性特性，足夠的精度和穩(wěn)定性，在長時間中使用和溫度變化時都應(yīng)該保持穩(wěn)定的性能。因此對材料的基本要求是：（1）彈性滯后和彈性后效?。唬?）彈性模數(shù)和溫度系數(shù)要?。唬?）線膨脹系數(shù)要小且穩(wěn)定；（4）彈性極限和強(qiáng)度極限要高；（5）具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性；（6）具有良好的機(jī)械加工性能和熱處理性能。參數(shù)計算在負(fù)載在實驗報告中彈性元件的選取彈性元件的材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高彈性極限、低彈性模量、穩(wěn)定的物理性質(zhì)及良好的機(jī)械加工和熱處理性能。由于是簡易制作故開始時選擇鋁制易拉罐作為彈性元件，后從實驗中得知其強(qiáng)度過低故改用鐵制易拉罐代替電橋的設(shè)計根據(jù)選擇的傳感器彈性元件的形狀選擇的電橋為單臂電橋各橋臂應(yīng)變?yōu)椋簞t讀數(shù)應(yīng)變應(yīng)為：即橋臂系數(shù)為-2(1+).可見此種接線方法可以消除偏壓產(chǎn)生的影響。所需材料及設(shè)備1.彈性元件：雀巢咖啡罐（鐵制），外徑D=52.760mm，內(nèi)徑d=52.160mm，厚t=0.600mm，高H=103.980mm，泊松比。2.貼片時所用的材料：502膠水、螺絲刀、鑷子