基于應變片傳感器的壓力測量系統(tǒng)

1、計量學概論課程項目報告一種計量保證方案的設計與應用(基于應變片傳感器的壓力測量系統(tǒng))姓 名： 同組人: 分工或貢獻：電阻應變片壓力傳感器材料選擇和參數計算課 程 名 稱：基于應變片傳感器的壓力測量系統(tǒng)指 導 教 師：田廣軍完 成 日 期: 2016年12月22日基于應變片傳感器的壓力測量系統(tǒng)摘要：本文簡要介紹了壓變式壓力傳感器及其工作原理。本項目主要利用應變片壓力傳感器將應變片阻值的變化量轉換為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，進而求得產生作用力的物體的質量。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。前言：隨著科學技術的迅猛發(fā)展，傳感器技術已越來

2、越廣泛地應用于多種技術領域。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、成本低、便于集成化的優(yōu)點，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強的測量與控制，并廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。本文針對電阻應變片壓力傳感器，對它的工作原理，材料選取、參數計算及電路設計以懸臂梁為例進行相關介紹。1.應變式壓力傳感器簡介及工作原理1.1壓力傳感器簡介壓力是生產過程和航天、航空、國防工業(yè)中的重要過程參數，不僅需要對它進行快速動態(tài)測量，而且還要將測量結果作數字化顯示和記錄。因此壓力

3、傳感器是極受重視和發(fā)展迅速的一種傳感器。壓力傳感器的發(fā)展趨勢是進一步提高動態(tài)響應速度、精度和可靠性以及實現數字化和智能化等。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壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與壓力成一定關系的電信號。1.2應變片傳感器簡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、電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、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。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及

4、較好的線性特性。它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。1.3應變片傳感器工作原理電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。電阻應變式壓力傳感器是由電阻應變片組成的測量電路和彈性敏感元件組合起來的傳感器。當彈性敏感元件受到壓力作用時，將

5、產生應變，粘貼在表面的電阻應變片也會產生應變，表現為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉化為電阻應變片阻值的變化。應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般把4個電阻應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。一般這種變化的對應關系具有近似線性的關系。找到壓力變化和輸出共模電壓變化的對應關系，就可以通過測量共模電壓得到壓力值。電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示  式中：金屬導體的電阻率（·cm2/m）；S導體的截面積（cm

6、2）；L導體的長度（m）；圖 電阻應變片的基本結構電阻應變片主要由四部分組成。如上圖所示,電阻絲是應變片敏感元件;基片、覆蓋片起定位和保護電阻絲的作用,并使電阻絲和被測試件之間絕緣;引出線用以連接測量導線。2. 電阻應變片壓力傳感器各種材料的選擇和參數計算2.1彈性元件 彈性元件在傳感器技術中占有極重要的地位。在傳感器工作過程中，一般由彈性敏感元件首先把各種形式的物理量變成應變量或位移量等，然后配合各種轉換元件，把非電量轉換為電量。選擇彈性元件應遵循以下要求：（1） 強度高，彈性極限高；（2） 具有高的沖擊韌性和疲勞極限；（3） 彈性模量溫度系數小而穩(wěn)定；（4） 熱處理后應有均勻穩(wěn)定的組織，且

7、各向同性；（5） 熱膨脹系數小；（6） 具有良好的機械加工和熱處理性能；（7） 具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；（8） 彈性滯后盡量?。怀Ｓ貌牧希航Y構鋼（CrNiMo，30CrMnSiNi2A）、鋁合金、鈦合金可知結構鋼的彈性模量最大，熱膨脹系數小，適合制作負重大的傳感器。故選用結構鋼30CrMnSiNi2A，其抗拉應力是1700Mpa，屈服強度是1000Mpa，彈性模量是211Gpa。 同時本次設計選取彈性元件的形式為等截面梁，其示意圖如圖所示：圖 等截面梁作用力F與某一位置處的應變關系可按下式計算： 式中：距自由端處的應變值；l梁的長度； E梁的材料彈性模量； b梁的寬度； h梁的厚度。通過設

8、計，選取l=20mm, =14mm,b=10mm,h=3mm現校核如下： 因此，選取是合理的。2.2應變片的選擇電阻應變片是主要分為電阻絲式應變片、金屬箔式應變片和金屬薄膜應變片。箔式應變片具有敏感柵薄而寬，粘貼性能好，傳遞應變性能好；散熱性好，敏感柵彎頭橫向效應可以忽略；蠕變，機械滯后小，疲勞壽命長等優(yōu)點，所以非常適合本次設計的應用。選擇4片箔式應變片（BX120-02AA）阻值為120，其基底尺寸是2.4×2.4´（mm×mm）。同時敏感珊的材料選擇鉑 因為其靈敏系數達Ks=4.6， 且其最高工作溫度可以達800多攝氏度，柵長做到0.5mm。應變片粘貼在距自由

9、端處，R1和R4粘貼在梁的上方承受正應變，R2和R3則與之對應粘貼在下方承受負應變。粘貼劑選擇環(huán)氧樹脂粘貼劑。 基底材料選擇膠基，厚度為。 引線材料采用直徑為的鉻鎳金屬絲引線。 最后在安裝后的應變片和引線上涂上中性凡士林油做防護作用，以保證應變片工作性能穩(wěn)定可靠。 這樣最大應變?yōu)椋航涣麟姌虻淖畲筝敵鲚斎氡葹椋?、測量電路的設計與計算3.1 電橋電路應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化，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 兩臂差動電路與全橋電路 兩臂差動電橋電路的電壓輸出為 設初始時，工作時一片

10、受拉一片受壓，即，則可以簡化為 差動電橋電壓靈敏度為 同理采用四臂電橋，并設初始時，工作時，輸出為 四臂電橋的電壓靈敏度為 通過比較半橋與全橋的靈敏度，四臂電橋電路的靈敏度高，故選用四臂電橋電路。3.2放大電路由于傳感器輸出的電壓比較小，因此需對其進行放大使之滿足后續(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作為放大器來達到凈化信號電壓和充分節(jié)約成本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，為此選擇分配級為50×20，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源于溫度誤差，造成溫度誤差的原因主要有以下兩個： 1、敏感柵電阻隨溫度變化引起誤差 2、試件材料與應變絲材料的線膨脹系數不同，使應變絲產生附加拉長或壓 縮，引起電阻變化。 這樣的溫度誤差可以通過橋路進行補償，如本設計中的全橋電路就很好地實現了溫度的補償；其次，電橋還具有非線性誤差，由于對金屬絲電阻應變片，電橋非線性誤可以忽略，所以也不影響本次設計。 最后，對于如同工頻等的干擾，我們盡量通過電路的優(yōu)化除去干擾，如通過高共模抑制比儀放以及低通濾波器進行