基于應(yīng)變片傳感器的壓力測(cè)量系統(tǒng)

1、-. z.計(jì)量學(xué)概論課程工程報(bào)告一種計(jì)量保證方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用(基于應(yīng)變片傳感器的壓力測(cè)量系統(tǒng))*：同組人:分工或奉獻(xiàn)：電阻應(yīng)變片壓力傳感器材料選擇和參數(shù)計(jì)算課程名稱：基于應(yīng)變片傳感器的壓力測(cè)量系統(tǒng)指導(dǎo)教師：田廣軍完成日期: 2016年12月22日基于應(yīng)變片傳感器的壓力測(cè)量系統(tǒng)摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了壓變式壓力傳感器及其工作原理。本工程主要利用應(yīng)變片壓力傳感器將應(yīng)變片阻值的變化量轉(zhuǎn)換為彈性元件的微小應(yīng)變，從而利用力、受力面積及應(yīng)變之間的關(guān)系來(lái)確定力的大小，進(jìn)而求得產(chǎn)生作用力的物體的質(zhì)量。傳感器的設(shè)計(jì)主要包括彈性元件的設(shè)計(jì)和處理電路的設(shè)計(jì)。前言：隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛開(kāi)展，傳感器技術(shù)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于多

2、種技術(shù)領(lǐng)域。各類傳感器中，壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、本錢低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強(qiáng)的測(cè)量與控制，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。本文針對(duì)電阻應(yīng)變片壓力傳感器，對(duì)它的工作原理，材料選取、參數(shù)計(jì)算及電路設(shè)計(jì)以懸臂梁為例進(jìn)展相關(guān)介紹。1.應(yīng)變式壓力傳感器簡(jiǎn)介及工作原理1.1壓力傳感器簡(jiǎn)介壓力是生產(chǎn)過(guò)程和航天、航空、國(guó)防工業(yè)中的重要過(guò)程參數(shù)，不僅需要對(duì)它進(jìn)展快速動(dòng)態(tài)測(cè)量，而且還要將測(cè)量結(jié)果作數(shù)字化顯示和記錄。因此壓力傳感器是極受重視

3、和開(kāi)展迅速的一種傳感器。壓力傳感器的開(kāi)展趨勢(shì)是進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、精度和可靠性以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化等。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于*個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。1.2應(yīng)變片傳感器簡(jiǎn)介常用壓力傳感器有電容式壓力傳感器、變磁阻式壓力傳感器、霍耳式壓力傳感器、光纖式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器及膜片電極式壓力傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。

4、它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等局部組成。1.3應(yīng)變片傳感器工作原理電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成局部之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑嚴(yán)密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。電阻應(yīng)變式壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片組成的測(cè)量電路和彈性敏感元件組合起來(lái)的傳感器。當(dāng)彈性敏感元件受到壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在

5、外表的電阻應(yīng)變片也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片阻值的變化。應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般把4個(gè)電阻應(yīng)變片按照橋路方式連接，兩輸入端施加一定的電壓值，兩輸出端輸出的共模電壓隨著橋路上電阻阻值的變化增加或者減小。一般這種變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有近似線性的關(guān)系。找到壓力變化和輸出共模電壓變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以通過(guò)測(cè)量共模電壓得到壓力值。電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示式中：金屬導(dǎo)體的電阻率cm2/m；S導(dǎo)體的截面積cm2；L導(dǎo)體的長(zhǎng)度m；圖電阻應(yīng)變片的根本構(gòu)造電阻應(yīng)

6、變片主要由四局部組成。如上圖所示,電阻絲是應(yīng)變片敏感元件;基片、覆蓋片起定位和保護(hù)電阻絲的作用,并使電阻絲和被測(cè)試件之間絕緣;引出線用以連接測(cè)量導(dǎo)線。2.電阻應(yīng)變片壓力傳感器各種材料的選擇和參數(shù)計(jì)算2.1彈性元件彈性元件在傳感器技術(shù)中占有極重要的地位。在傳感器工作過(guò)程中，一般由彈性敏感元件首先把各種形式的物理量變成應(yīng)變量或位移量等，然后配合各種轉(zhuǎn)換元件，把非電量轉(zhuǎn)換為電量。選擇彈性元件應(yīng)遵循以下要求：強(qiáng)度高，彈性極限高；具有高的沖擊韌性和疲勞極限；彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定；熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；熱膨脹系數(shù)??；具有良好的機(jī)械加工和熱處理性能；具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；彈性滯后

7、盡量??；常用材料：構(gòu)造鋼CrNiMo，30CrMnSiNi2A、鋁合金、鈦合金可知構(gòu)造鋼的彈性模量最大，熱膨脹系數(shù)小，適合制作負(fù)重大的傳感器。應(yīng)選用構(gòu)造鋼30CrMnSiNi2A，其抗拉應(yīng)力是1700Mpa，屈服強(qiáng)度是1000Mpa，彈性模量是211Gpa。同時(shí)本次設(shè)計(jì)選取彈性元件的形式為等截面梁，其示意圖如下圖：圖等截面梁作用力F與*一位置處的應(yīng)變關(guān)系可按下式計(jì)算：式中：距自由端處的應(yīng)變值；l梁的長(zhǎng)度；E梁的材料彈性模量；b梁的寬度； h梁的厚度。通過(guò)設(shè)計(jì)，選取l=20mm,=14mm,b=10mm,h=3mm現(xiàn)校核如下：因此，選取是合理的。2.2應(yīng)變片的選擇電阻應(yīng)變片是主要分為電阻絲式應(yīng)變

8、片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片具有敏感柵薄而寬，粘貼性能好，傳遞應(yīng)變性能好；散熱性好，敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；蠕變，機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合本次設(shè)計(jì)的應(yīng)用。選擇4片箔式應(yīng)變片B*120-02AA阻值為120，其基底尺寸是2.42.4mmmm。同時(shí)敏感珊的材料選擇鉑因?yàn)槠潇`敏系數(shù)達(dá)Ks=4.6，且其最高工作溫度可以達(dá)800多攝氏度，柵長(zhǎng)做到0.5mm。應(yīng)變片粘貼在距自由端處，R1和R4粘貼在梁的上方承受正應(yīng)變，R2和R3則與之對(duì)應(yīng)粘貼在下方承受負(fù)應(yīng)變。粘貼劑選擇環(huán)氧樹脂粘貼劑?；撞牧线x擇膠基，厚度為。引線材料采用直徑為的鉻鎳金屬絲引線。最后在安裝后的應(yīng)變片

9、和引線上涂上中性凡士林油做防護(hù)作用，以保證應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。這樣最大應(yīng)變?yōu)椋航涣麟姌虻淖畲筝敵鲚斎氡葹椋?、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 電橋電路應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)展測(cè)量。常用的有兩臂差動(dòng)電路和全橋電路，如圖3.1所示。一般電橋的輸出電壓為圖兩臂差動(dòng)電路與全橋電路兩臂差動(dòng)電橋電路的電壓輸出為設(shè)初始時(shí)，工作時(shí)一片受拉一片受壓，即，則可以簡(jiǎn)化為差動(dòng)電橋電壓靈敏度為同理采用四臂電橋，并設(shè)初始時(shí)，工作時(shí)，輸出為四臂電橋的電壓靈敏度為通過(guò)比擬半橋與全橋的靈敏度，四臂電橋電路的靈敏度高，應(yīng)選用四臂電橋電路。3.2放大電路由于傳感

10、器輸出的電壓比擬小，因此需對(duì)其進(jìn)展放大使之滿足后續(xù)電路的處理要求。鑒于傳感器輸出可能雜有共模電壓，為此，選取具有高共模抑制比的AD620作為放大器來(lái)到達(dá)凈化信號(hào)電壓和充分節(jié)約本錢和制造的空間的目的。圖放大電路其放大增益為：為了將10mV的電壓放大到10V，需要放大1000倍，為此選擇分配級(jí)為5020，這里放大50倍，因此解得R4=1.008k4、誤差分析誤差的形成主要來(lái)源于溫度誤差，造成溫度誤差的原因主要有以下兩個(gè)：1、敏感柵電阻隨溫度變化引起誤差2、試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加拉長(zhǎng)或壓縮，引起電阻變化。這樣的溫度誤差可以通過(guò)橋路進(jìn)展補(bǔ)償，如本設(shè)計(jì)中的全橋電路就很好地實(shí)現(xiàn)了溫度的補(bǔ)償；其次，電橋還具有非線性誤差，由于對(duì)金屬絲電阻應(yīng)變片，電橋非線性誤可以忽略，所以也不影響本次設(shè)計(jì)。最后，對(duì)于如同工頻等的干擾，我們盡量通過(guò)電路的優(yōu)化除去干擾，如通