電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、湖南科技大學(xué)傳 感器課 程設(shè)計(jì)題 目作 者學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師楊書(shū)儀 凌啟輝二0七年六月十日湖南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)摘要應(yīng)變式傳感器應(yīng)用廣泛，很多地方都得以應(yīng)用，而本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一個(gè) 應(yīng)變片柱式傳感器用來(lái)稱(chēng)重。研究的重點(diǎn)是傳感器的基本原理，其中包括基本的理論分 析、彈性元件的選材、彈性元件的尺寸設(shè)計(jì)、應(yīng)變的選材、應(yīng)變校驗(yàn)等。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：掌握和了解相關(guān)傳感器的基本測(cè)量方法和研究動(dòng)態(tài)、制定傳 感器測(cè)量方案、進(jìn)行必要的理論計(jì)算分析、用 CAM傳感器結(jié)構(gòu)及零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、對(duì)轉(zhuǎn) 換電路進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)等。關(guān)鍵詞：圓柱式、應(yīng)變片、稱(chēng)重、形變-2 -目錄一、 工作

2、原理及特點(diǎn) 11、工作原理 12、測(cè)量特點(diǎn) 1二、柱式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21、彈性元件材料的選定及要求 22、彈性元件材料的處理 33、幾種應(yīng)變片的比較及選定 34、應(yīng)變片材料的選定及要求 4三、相關(guān)理論分析 61、彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算 62、應(yīng)變片參數(shù)的計(jì)算 73、彈性元件變形與應(yīng)變片電阻值關(guān)系 7四、電路的設(shè)計(jì) 9參考文獻(xiàn) 10湖南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)'工作原理及特點(diǎn)工作原理基本測(cè)量原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。 也就是利用金屬的電 阻應(yīng)變效應(yīng)（金屬絲在受外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化）將測(cè) 量物體變形轉(zhuǎn)換城電阻值的變化，再由轉(zhuǎn)換電路變成點(diǎn)亮的輸出。引起

3、的電阻阻值變化 R,伸長(zhǎng)量 I，電阻率變化量 p，橫截面積相應(yīng) 減少量 S;則有：(1-1)R 劇 S . "：? =_+R I S ?式中的 I /I為電阻式的軸向應(yīng)變，用&表示，徑向應(yīng)變?yōu)?r/r，電阻絲 的縱向伸長(zhǎng)和橫向收縮關(guān)系用泊松比卩表示為 r/r二卩（ L/L）=ko ；(1-2)R：lR I式（1-2）中，ko稱(chēng)為金屬電阻的靈敏系數(shù)，ko受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是（1+2 卩），它由材料的幾何尺寸決定；另一個(gè)是 Ap /（ p £ ），它表示材料的電阻率p 隨應(yīng)變而變化。對(duì)金屬材料而言，前者為主，其ko 1+2卩。實(shí)驗(yàn)表明，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻

4、相對(duì)變化與橫向應(yīng)變成正比。 通常金屬絲的靈敏系 數(shù)ko = 2左右。二、測(cè)量特點(diǎn)以電阻應(yīng)變片和敏感元件組成。 將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件上， 當(dāng)彈 性敏感元件在測(cè)量時(shí)其表面會(huì)出現(xiàn)變形， 導(dǎo)致其表面附著的電阻應(yīng)變片的阻值隨 之變化，與之相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路將這一非電量的變化轉(zhuǎn)化為電量輸出。該類(lèi)型傳感器具有以下特點(diǎn)： 精度高，測(cè)量范圍廣，適合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量； 使用壽命長(zhǎng)，性能可靠穩(wěn)定； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小。-11 -二、柱式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柱式傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心。應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力均勻 的中間部分，并均勻?qū)ΨQ(chēng)地粘貼多片。因?yàn)閺椥栽母叨葘?duì)傳感器的精度和動(dòng) 態(tài)特性有影響。根據(jù)材料

5、力學(xué)分析和試驗(yàn)研究的結(jié)果，對(duì)實(shí)心圓柱，一般H>2D+I，而空心圓柱一般取 H > D-d+l，式中H為圓柱體高度，D為圓柱外徑，d 為空心圓柱內(nèi)徑，I為應(yīng)變片基長(zhǎng)。柱式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以測(cè)量大的拉壓力，最大可達(dá)107N。在測(cè)103 io5n 時(shí)，為了提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱式結(jié)構(gòu)。一、彈性元件材料的選定及要求彈性形變的定義：是指固體受外力作用而使各點(diǎn)間相對(duì)位置的改變，當(dāng)外力撤消后，固體又恢復(fù)原狀謂之"彈性形變"。這種物體稱(chēng)為彈性元件或彈性體。彈性敏感元件在傳感器中占據(jù)很重要的地位。 在傳感器工作過(guò)程中，一般是 由彈性敏感元件將非電量轉(zhuǎn)換成彈

6、性元件的形變，然后配合轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電 量。所以說(shuō)彈性元件在傳感器中應(yīng)用是十分廣泛的。為了適合本課程設(shè)計(jì)的要求，對(duì)彈性材料提出以下要求： 具有高強(qiáng)度、高彈性特性； 溫度變化系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小、時(shí)間穩(wěn)定性好； 具有小的彈性滯后； 組織均勻，熱處理后的殘存應(yīng)力??； 沖擊韌性好，加工工藝性好； 具有抗氧化性。參照新編傳感器手冊(cè)得下表:材料鈹青銅QBe17-4PH不銹鋼恒彈性合金3J53密度g/ cm38.257.808.0屈服極限MPa103018501250彈性模量MPa134X 1033195X 10370 X 10線膨脹系數(shù)-6 -1at/ x 10 C17.610.87.5-8.1泊松比0

7、.320.2720.30機(jī)械品質(zhì)因數(shù)> 1000彈性模量溫度系 數(shù)535 X 10/C表1根據(jù)應(yīng)變式傳感器的使用特性和性能指標(biāo)，本次設(shè)計(jì)采用17-4PH不銹鋼作為彈性元件的制作材料。主要是因?yàn)樵摬牧暇哂幸韵绿攸c(diǎn)：合金是沉淀、淬水、 馬氏體的不銹鋼，且具有高強(qiáng)度、 硬度和抗腐蝕等特性經(jīng)過(guò)熱處理后，材料的特性將更加完善。二、彈性元件材料的處理為了提高彈性材料的強(qiáng)度和韌勁，要進(jìn)行熱處理。對(duì)17-4PH不銹鋼進(jìn)行H900熱工藝處理：1、預(yù)熱，加熱溫度：850±0C，保溫時(shí)間：35芳min。2、 固溶，加熱溫度：1040±TC，保溫時(shí)間：80±5min ;真空度：13

8、0Pa；油冷， 油溫：2570C，油中停留時(shí)間：10±2min。3、清洗，將零件浸入80100C的清洗槽中清洗2030min,出槽后浸入20 40C的漂洗槽中漂洗25min,出槽后晾干或吹干。4、時(shí)效，加熱溫度：480±C，保溫時(shí)間：250±0min,空冷到室溫。之后采用反復(fù)加載和機(jī)械振動(dòng)的方法，可以釋放材料內(nèi)部的應(yīng)力三、幾種應(yīng)變片的比較及選定1、金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種。 回線式應(yīng)變片它的敏感柵絲直徑在 0.012 0.05mm,以0.025mm左右為最常用，回線的曲率半徑 r為0.10.3mm, 基片用厚度為0.03mm左右的薄紙（稱(chēng)紙

9、基），或用粘結(jié)劑和有機(jī)樹(shù)脂基膜制成（稱(chēng)膠基），粘貼性能好，能保證有效的傳遞變形。引線多用0.150.30mm直徑的鍍錫銅線與敏感柵相接。因制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以最為 常用。但因彎曲部分的變形使橫向效應(yīng)增大。為了克服橫向效應(yīng)，有短接式應(yīng)變片。其兩端用直徑比柵絲直徑粗5 10倍的鍍銀絲短接而成。由于焊點(diǎn)多，易在焊點(diǎn)處出現(xiàn)疲勞損壞，制造工藝要求高， 故使用較少。絲式應(yīng)變片敏感柵的材料的要求是：靈敏系數(shù)高，電阻率高，穩(wěn)定好，溫度 系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度高，抗氧化，耐腐蝕。常用的材料有錳白銅（亦稱(chēng)康銅），鎳鉻合金，鎳鉻鋁合金，鐵鎳鉻合金以及貴金屬（鉑、鉑鎢合金）等。2、金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式

10、應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為0.003 0.01mm電阻鉑材，利用 照相制版或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。它的優(yōu)點(diǎn)是：可以制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，柵長(zhǎng)I最小可做到0.2mm以適應(yīng)不同的測(cè)量要求；與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，提高輸出靈敏度；橫向效應(yīng)可以忽略；蠕變、機(jī)械 滯后下，疲勞壽命長(zhǎng)。目前箔式應(yīng)變片得到了廣泛應(yīng)用， 現(xiàn)在已基本取代金屬絲 電阻應(yīng)變片。它的主要缺點(diǎn)是電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐姆，故需要做阻值調(diào)整。3、金屬薄膜應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方 法在薄的絕緣基片上形成厚度在 0.

11、1卩m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，最后 再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。這種應(yīng)變片的特點(diǎn)是：電阻值比箔式應(yīng)變片高，形狀和尺寸箔式應(yīng)變片更小 更精確；他沒(méi)有箔式應(yīng)變片腐蝕所引入疵??； 制成的結(jié)構(gòu)散熱性好，對(duì)于較寬的 溫度范圍也可以達(dá)到較完善的補(bǔ)償； 特別是近年激光調(diào)阻技術(shù)的發(fā)展，提高了電 阻值的精度，可達(dá)0.01%。尤其突出的是：陶瓷絕緣代替了膠接，既避免了復(fù)雜 的分選和粘貼技術(shù)，而且對(duì)膠接法所引入的漂移、蠕變、疲勞弱點(diǎn)都有很大的克服。4、半導(dǎo)體應(yīng)變片利用半導(dǎo)體材料做成的壓阻式傳感器有兩種類(lèi)型：一種是利用半導(dǎo)體材料的 體電阻做成的粘貼式應(yīng)變片；另一類(lèi)是在半導(dǎo)體材

12、料的基片上用集成電路工藝制 成擴(kuò)散電阻，稱(chēng)擴(kuò)散型壓阻傳感器。壓阻傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率 響應(yīng)高，體積小。它主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此該類(lèi)傳感器的溫度誤差較大，必須要有 溫度補(bǔ)償。對(duì)于金屬箔式應(yīng)變片，橫向效應(yīng)較小，因而提高了應(yīng)變測(cè)量的精度， 故允許 通過(guò)較大的電流，因而可以有較大的輸出， 提高了測(cè)量靈敏度。綜合一些金屬箔 式應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)，和考慮到工藝技術(shù)的有限及性?xún)r(jià)比問(wèn)題，該次設(shè)計(jì)采用金屬箔 式應(yīng)變片。四、應(yīng)變片材料的選定及要求1、敏感柵材料制造應(yīng)變片時(shí)，對(duì)敏感材料的要求： 靈敏系數(shù)Ks和電阻率p要盡可能高而穩(wěn)定，電阻變化率 R/R與機(jī)械應(yīng)

13、 變&之間應(yīng)具有良好而寬廣的線性關(guān)系，即要求 Ks在很大范圍內(nèi)為常數(shù)； 電阻溫度系數(shù)小，電阻一一溫度之間的線性關(guān)系和重復(fù)性好； 機(jī)械強(qiáng)度高，碾壓及焊接性能好，與其他金屬之間接觸熱電勢(shì)??； 抗氧化、耐腐蝕性能強(qiáng)，無(wú)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、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻和金、 貴金屬（鉑、鉑鎢合金）材料等，材料性能見(jiàn)下表：名稱(chēng)牌號(hào)及成分p / ( Q-2 、 mm /m)a_6/( 106/C)Ks3 s/(10-6mm/C)最高使用溫度/C康銅Ni45Cu550.450.52± 201.92.115300 （靜態(tài)）400 （動(dòng)態(tài)）鎳鉻合金Cr20Ni801

14、.01.11101302.12.314450 （靜態(tài)）800 （動(dòng)態(tài)）卡瑪6J22Ni74Cr20Fe3AB1.241.42± 202.42.613.3450 （靜態(tài)）800 （動(dòng)態(tài)）伊文6J23Ni75Cr20A13Cu21.241.42± 202.42.613.3450 （靜態(tài)）800 （動(dòng)態(tài)）鐵鉻鋁合 金Fe70Cr25A151.31.519402.32.814550 （靜態(tài)）1000 （動(dòng)態(tài)）貴金屬PtPt92W80.090.110.683900227463.58.98.39.2800 （靜態(tài)）1000 （動(dòng)態(tài)）基于上述材料的性能比較分析，選用鎳鉻合金作為敏感柵材料

15、。2、應(yīng)變片基底材料及引線材料對(duì)基底材料性能有如下要求：機(jī)械強(qiáng)度好，撓性好；粘貼性能好；電 絕緣性能好；熱穩(wěn)定性能好和抗?jié)裥院茫粺o(wú)滯后和蠕變。應(yīng)變片基底材料有紙和聚合物兩大類(lèi)， 紙基逐漸被膠基（有機(jī)聚合物）取代, 因?yàn)槟z基各方面性能都好于紙基。 膠基是由環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚酰亞胺等制 成膠膜，厚約0.030.05mm。引線材料采用鎳鉻合金材料。三、相關(guān)理論分析計(jì)算一、彈性敏感元件的特性參數(shù)計(jì)算柱式彈性元件的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受很大的載荷，根據(jù)截面形狀可分為 實(shí)心截面和空心截面，而本次課程設(shè)計(jì)采用空心截面。在力的作用下，它以應(yīng)變作為輸出量。在承受軸向作用力F時(shí)，在與軸線成 a角的截面上所產(chǎn)生

16、的應(yīng)變、應(yīng)力為F22co s口 一 -s i n： A(3-1)名仃=F (co一卩sin。)AE(3-2)因此在軸向（a =0）所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)镕a =A(3-3)Fz =AE(3-4)橫向（a =90）所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?-=J A(3-5)；=一F(3-6)AE有查表得知，彈性元件17-4PH不銹鋼的屈服極限（T s=1850MPa,若取安全 系數(shù)n=3.7,可求彈性元件的許用應(yīng)力k- 1 = 500MPa n彈性元件空心圓柱的截面面積A -5000N6500 10 Pa=1 10-5m2=10mm空心圓柱的內(nèi)徑和外徑的確定?？紤]構(gòu)建的穩(wěn)定性以及加工的難易程度， 還 有對(duì)于金屬箔式

17、應(yīng)變片在外徑上的粘貼情況，使貼片部分應(yīng)力均勻，空心圓柱長(zhǎng) 度 L= （22.5） D，現(xiàn)取內(nèi)徑 d=20mm ;D _、4A d2 : 20.32mmV H為保證圓柱加工的簡(jiǎn)單，適當(dāng)調(diào)整 D的大小，取D=25mm,取L=2D=50mm 重新計(jì)算空心圓柱截面面積：« 2 2 2 2 2A D -d25 -20176.7V 177mm44綜上所述，最終選取17-4PH不銹鋼制成空心圓柱的內(nèi)徑 d=20mm，外徑D=25mm，圓柱的高度L=50mm，截面面積 A=177mm2。二、應(yīng)變片參數(shù)的計(jì)算應(yīng)變片內(nèi)敏感柵材料的直徑范圍為 0.010.05mm,其基底很薄，一般在 0.03mm左右，能

18、保證有效傳遞變形。查閱一些資料，發(fā)現(xiàn)柵絲的的柵長(zhǎng)在 0.650mm之間，應(yīng)變片寬度在18mm之間。柵絲材料選擇鎳鉻合金，該材料 的靈敏系數(shù)2.12.3?，F(xiàn)選取敏感柵截面積為0.001mm2，取柵絲長(zhǎng)10mm，應(yīng)變片寬度取3.3mm， 取靈敏系數(shù)為2.2。鎳鉻合金的的電阻率p = (1.01.1) Q?mrT/m，取電阻率為 1.0 Q ?口帝口。應(yīng)變片的電阻值已經(jīng)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，有 60Q，120Q，350Q，600 Q,和1000 Q各種阻值，其中以120 Q最常使用，所以該應(yīng)變片設(shè)計(jì)也采用 120 Q阻值。金屬絲電阻阻值的計(jì)算公式R(3-7)s求出金屬絲的總長(zhǎng)度2=120mmRs 12010.

19、001mmP1.g *mm /m將這120mm的繞成12段，每一段10mm關(guān)于箔式應(yīng)變片最后的設(shè)計(jì)結(jié)果是:電阻值基長(zhǎng)*基寬柵長(zhǎng)*柵寬靈敏系數(shù)基底材料柵絲材料120Q14.2*4.1mm10*3.3mm2.2膠基鎳鉻合金應(yīng)變片的模板大致如下圖：£1)圖1應(yīng)變片圖三、彈性元件變形與應(yīng)變片電阻值關(guān)系在空心圓柱外圓壁上豎直對(duì)稱(chēng)貼上 4片應(yīng)變片，并在這4個(gè)應(yīng)變片下面橫向 貼上一個(gè)應(yīng)變片。當(dāng)重物產(chǎn)生的重力作用在空心圓柱上時(shí)，空心圓柱發(fā)生彈性變 形，空心圓柱的變形導(dǎo)致豎直粘貼在外壁上的應(yīng)變片也跟著發(fā)生同樣的變形，金屬絲變形導(dǎo)致電阻值變化，通過(guò)電橋電路從而轉(zhuǎn)換成電量的輸出，而橫向粘貼的應(yīng)變片并不發(fā)生

20、應(yīng)變形變，只做溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?外力作用在空心圓柱引起的變形量AE - 177mm2 195 103MPa_ 3.446 104 亦圓柱彈性形變&，一個(gè)應(yīng)變片12段柵絲產(chǎn)生的總變形為12 &，此時(shí)的柵絲總長(zhǎng)度為120-12 & mm根據(jù)金屬絲變形前后的體積不變，可得20.001mm120mm344.6V =sl = sl = s =r5m m1 120mm -乩 mm 3.446 112F電阻值的變化（減?。?R'Im22AR 二 R - R =120 - t ' =120 -1.0 120 24 ； T.2 ；2 =24 ； 1.2；2 s根據(jù)電橋電路，將阻值的變化轉(zhuǎn)換成電量輸出:R1R3R5R71 1=11UOR6R8f R2R41 1-11