基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì)

1、目錄1.緒論22.方案的選擇32.1方案的制定32.2方案的確定33.彈性元件53.1彈性元件材料選擇53.2彈性元件受力分析53.3彈性元件尺寸設(shè)計(jì)63.4強(qiáng)度校核74.應(yīng)變片的選擇84.1應(yīng)變片類型的選擇84.2阻值的選擇84.3材料的選擇84.4應(yīng)變片的粘貼85.測(cè)量電路的設(shè)計(jì)105.1電橋電路105.1.1電橋選擇105.1.1電橋輸出105.2放大電路115.3檢波電路125.4低通濾波電路145.5直流放大電路156.ADC轉(zhuǎn)換模塊167.誤差分析178.總結(jié)17參考文獻(xiàn)17附錄118附錄219基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì)1.緒論本次課程設(shè)計(jì)的是一個(gè)基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器，參

2、考實(shí)物為YPR-8傳感器，實(shí)物圖如圖1.1所示，主要技術(shù)指標(biāo)如表一所示。本次設(shè)計(jì)選擇的指標(biāo)如表2。電阻應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理是，把應(yīng)變片貼在測(cè)量壓力的彈性元件上，當(dāng)被測(cè)壓力發(fā)生變化時(shí)，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力的變化使得應(yīng)變片的阻值隨之改變，通過測(cè)量電阻來測(cè)得壓力。電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)的測(cè)量電路組成。圖1.1 YPR-8實(shí)物圖表1 主要技術(shù)指標(biāo) 表2 選擇的技術(shù)指標(biāo)規(guī)格100MPa靈敏度1.25mV/V過載能力120%F.S激勵(lì)電壓10V2.方案的選擇2.1方案的制定在測(cè)量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(shí)心和空心兩種，如圖3.1.1所示圖2.1

3、.1 柱式傳感器的彈性元件應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化R/R，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)行測(cè)量。常用的有兩臂差動(dòng)電橋和全橋電路，如圖2.1.2所示圖2.1.2 直流電橋電路2.2方案的確定柱式以實(shí)心或空心圓形或方形主體作為彈性元件，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易于加工，可設(shè)計(jì)成壓式或拉式，或拉壓兩用型，可承受最大載荷107N，用于大、中量程的傳感器，且對(duì)于空心圓柱型，靈敏度和抗橫向干擾可得到提高。本次的設(shè)計(jì)要求為測(cè)量范圍為0100MPa的壓力傳感器，所以取空心圓柱體作為彈性元件。電路轉(zhuǎn)換部分：一般電橋的輸出電壓為 （2-1）兩臂差動(dòng)電橋電路的電壓輸出為 （2-2

4、）設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4=R,工作時(shí)一片受拉一片受壓，即R1=-R2=R，則式（2-2）可以簡化為 （2-3）差動(dòng)電橋電壓靈敏度為KU=Ui2 （2-4）同理若采用四臂電橋，設(shè)初始時(shí)R1=R2=R3=R4=R，工作時(shí)R1=R4=R3=-R2=R時(shí)，輸出為 （2-5）四臂電橋的電壓靈敏度為KU=Ui （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，故選用全橋電路。3.彈性元件3.1彈性元件材料選擇空心圓柱常取的的材料有結(jié)構(gòu)鋼（30CrMnSiNi2A、CrNiMo）、鋁合金、鈦合金等。材料的彈性模量、泊松比、密度和熱膨脹系數(shù)如表2所示。表2 常用材料彈性模量泊松比通過比較

5、知結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量最大，熱膨脹系數(shù)最小，適合應(yīng)用制作負(fù)重大的傳感器，故在本次課程設(shè)計(jì)中選取結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A作為彈性元件的材料，材料的彈性模量E=200GPa，彈性極限b=1080MPa。3.2彈性元件受力分析軸向應(yīng)力分析：如圖3.2.1所示。內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向合力與殼壁橫截面上的軸向總壓力相等，則 4D2p=Dt （3-1）可得：=pD4t圖3.2.1 軸向應(yīng)力周向應(yīng)力分析：如圖3.2.2所示 0pD2lsind=2tl （3-2）可得：=pD2t 圖3.2.2 周向應(yīng)力3.3彈性元件尺寸設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)靈敏度設(shè)計(jì)為11.5mV/V，應(yīng)變片布片方式如圖3.2.1所示R1R4為工作應(yīng)變片

6、，R2R3為溫度補(bǔ)償片，電橋如圖3.2.2所示。取µ=0.5，g=9.8m/s2。電橋的輸出表達(dá)式為 （3-3） 即 （3-4）取應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2，U0Ui =1.5mV/V，帶入上式得到應(yīng)變最大值為1.0×10-3，所以取=1.0×10-3。圖3.2.1布片方式 圖3.2.2橋路連接方式由理論力學(xué)知道筒性薄壁壓力容器c=pd2t （3-5）式中，p為被測(cè)壓力，d為筒內(nèi)徑，t為筒壁厚又 =c/E可得 pd2Et （3-6）代入數(shù)據(jù)可求得dt4，且D-d=2t則Dd1.5彈性元件的外徑不可取太小，否則會(huì)由于力的偏心造成很大的誤差。所以取外徑D=15mm,則內(nèi)徑d

7、=10mm，所以壁厚t=2.5mm。應(yīng)變柱的有效工作長度為 （3-7）式中，lg為貼應(yīng)變片所需長度。代入數(shù)據(jù)后可得lw=(21.324.3)mm，柱高的確定：對(duì)于圓柱筒式傳感器有HD-d+L，為了防止彈性元件受壓時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高h(yuǎn)應(yīng)當(dāng)選的小一些，所以可取h=30mm。3.4強(qiáng)度校核由于壁薄，還需要檢驗(yàn)是否會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)，薄壁管的失穩(wěn)臨界應(yīng)力為 （3-8）校核在過載120%情況下，bm=26.67GPa>b，所以在過載120%情況下不會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。4.應(yīng)變片的選擇4.1電阻應(yīng)變片類型的選擇電阻應(yīng)變片主要分為電阻絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。本次課設(shè)內(nèi)容為設(shè)計(jì)筒式壓力

8、傳感器，在工作中受軸向壓應(yīng)力。對(duì)于絲式應(yīng)變片，絲繞式的彎曲部在軸向應(yīng)力作用下的變形會(huì)使其橫向效應(yīng)較大，短接式焊點(diǎn)多，易在焊點(diǎn)處出現(xiàn)疲勞損壞，不適用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，所以不選用絲式應(yīng)變片，而選用箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片是由光刻或腐蝕技術(shù)制成的，敏感柵厚度為0.003mm0.01mm，其由許多優(yōu)點(diǎn)，敏感柵與基片接觸面積大，散熱性能好，且易批量生產(chǎn)，電阻均勻，離散型小，可制成任意形狀以適應(yīng)不同的要求。4.2阻值的選擇國家標(biāo)準(zhǔn)中電阻應(yīng)變片的阻值規(guī)定為60、120、200、350、500、1000，電阻值越大的應(yīng)變片，允許的工作電壓也越大，靈敏度高，但相應(yīng)的應(yīng)變片的尺寸也要增大。設(shè)計(jì)專用傳感器使用的應(yīng)變片一

9、般選用350，測(cè)量時(shí)為了提高靈敏度，常提高電橋的輸出電壓。4.3 材料的選擇應(yīng)變片的敏感材料一般有康銅、卡瑪絲、半導(dǎo)體等。在本次設(shè)計(jì)中，傳感器工作環(huán)境為常溫，環(huán)境溫度波動(dòng)不大，應(yīng)變片靈敏系數(shù)K取2，所以敏感柵材料取康銅即可，康銅電阻溫度系數(shù)小，有良好的溫度穩(wěn)定性，靈敏度系數(shù)均勻、恒定不變，適用于常溫和中溫場(chǎng)合?；撞牧戏譃榧埢湍z基兩大類，目前紙基已逐漸被性能更好的膠基取代，所以本次設(shè)計(jì)基底材料選用膠基，膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度為0.03mm0.05mm。對(duì)粘接劑材料的要求是有一定的粘接強(qiáng)度，能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變，對(duì)彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，且有較寬的使用溫度范

10、圍和良好的耐疲勞性能。環(huán)氧樹脂類粘接劑為一款常用的粘接劑，內(nèi)應(yīng)力小，對(duì)膠接強(qiáng)度影響小，加之環(huán)氧固化物的蠕變小，所以膠層的尺寸穩(wěn)定性好。疲勞強(qiáng)度高，耐腐蝕性能好，價(jià)格比較低，適于粘接膠膜與玻璃纖維布，使用溫度范圍廣，滿足本次設(shè)計(jì)的所需要求，因此粘接劑材料選用環(huán)氧樹脂類粘接劑。若應(yīng)變片所粘貼的材料材質(zhì)均勻，彈性模量高，可以選擇柵長小的應(yīng)變片。若是彈性模量低的材料，由于在應(yīng)變片的基片端部附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以應(yīng)考慮對(duì)測(cè)試精度的影響。對(duì)于材料不均勻或強(qiáng)度不高的試件材料，如木材混凝土等，應(yīng)取足夠大的柵長為好，以便能測(cè)出較長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變值。因此對(duì)于本次設(shè)計(jì)，應(yīng)變片規(guī)格選用BH350-3AA箔式應(yīng)變片，

11、其為環(huán)氧基地，一般用于傳感器，標(biāo)稱阻值為350，柵長×柵寬3.0x×3.0mm，基底尺寸為7.6×4.4mm。4.4 應(yīng)變片的粘貼1應(yīng)變片準(zhǔn)備1）外觀檢查：檢查基底是否破損，敏感柵是否有銹斑，引線是否有折斷的危險(xiǎn)，觀察敏感機(jī)是否排列整齊，是否有氣泡存在，如果上述條件不符合，則認(rèn)為該片不合格。2）阻值測(cè)量：測(cè)量電阻值，剔出斷路、短路者，保證同一組應(yīng)變片的阻值相差在±0.3歐范圍內(nèi)。2粘貼表面準(zhǔn)備為了使應(yīng)變片粘貼牢固，需對(duì)被貼表面進(jìn)行機(jī)械化學(xué)處理，處理范圍應(yīng)為應(yīng)該片面積的三倍。首先去油污、銹斑、氧化膜等，然后用細(xì)砂布相對(duì)貼片軸向交叉450打磨，直到表面粗糙度

12、為3.2左右。表面粗糙度過高或過低均影響應(yīng)變片的粘貼牢固程度。經(jīng)上述處理后，緊接著用浸有酒精或丙酮的砂布或棉球進(jìn)行清洗，然后畫出貼片定位線，再將浸有溶劑的砂布或棉球按一個(gè)方向擦洗，直至砂布或棉球上不見污跡為止。擦過的表面要避免再次被污染，待溶劑揮發(fā)，表面干燥后，立即涂膠貼片。如不能及時(shí)粘貼，隔段時(shí)間后必須重新清洗。3貼片在清洗過的貼片處表面涂一層薄而均勻的粘接劑。然后迅速將應(yīng)變片放在粘貼部位上，用捏子把應(yīng)變片調(diào)整至貼片位置（然后將塑料薄膜蓋于應(yīng)變片上，用手指柔合滾壓擠出多余膠水和應(yīng)變片下之氣泡，使應(yīng)變片完全貼和，直至應(yīng)變片貼牢為止。待自然干燥一段時(shí)間后，由應(yīng)變片無引線一端開始向有引線一端揭掉塑

13、料薄膜方向盡量與貼片表面平行，以免將片帶起，然后把引線輕輕拉起。至此貼片基本結(jié)束，然后對(duì)貼片的質(zhì)量進(jìn)行以下幾項(xiàng)檢查：1）基底或蓋層有無破壞，敏感柵有無變形。2）貼片有無引起斷路。3）粘結(jié)層中有否氣泡和局部沒有貼上的現(xiàn)象。4）對(duì)測(cè)力環(huán)表面是否短路，其絕緣強(qiáng)度是否達(dá)到要求。發(fā)現(xiàn)上述問題，如無法排除則必須刮掉后經(jīng)清洗再重新貼片。5.測(cè)量電路的設(shè)計(jì)5.1電橋電路應(yīng)變片把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，為顯示或記錄應(yīng)變的大小還要把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，通常采用電橋電路來實(shí)現(xiàn)微小阻值變化的轉(zhuǎn)換。顯而易見，電橋電路的作用就是把電阻片的電阻變化率R/R轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)電橋

14、輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓。5.1.2電橋選擇直流電橋優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定度的直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡的電路簡單，缺點(diǎn)是容易受工頻干擾產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)往往采用交流電路，所以這里我采用交流電橋。為了消除非線性誤差和溫度誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，我采用四臂差動(dòng)電橋。為使交流電橋平衡，即滿足 Z1Z4=Z2Z3 (5-1)1+4=2+3 (5-2)常用的電容調(diào)零電路如圖5.1所示。圖5.1 電容調(diào)零電路頻率的選擇按照大于信號(hào)頻率十倍的原則。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的傳感器為壓力傳感器，其波動(dòng)較大，故選

15、取頻率更高一些較好。這里設(shè)計(jì)為5kHz。5.1.2電橋輸出四臂電橋的輸出電壓為 Uo=UiR1R4-R2R3R1+R2R3+R4 （5-4）四臂差動(dòng)電橋初始時(shí)R1=R2=R3=R4=R，工作時(shí)各橋臂應(yīng)變片電阻變化為R1、R2、R3、R4，工作時(shí)滿足R1=R4=R，R2=R3=-R，已知設(shè)計(jì)量為：量程為100MPa, 材料彈性模量為200GPa,泊松比0.5，靈敏系數(shù)為2，具體計(jì)算過程如下： Uo=Ui4×R1R-R2R-R3R+R4R1+12(R1R+R2R+R3R+R4R) （5-5）將R1=R4=R，R2=R3=-R代入式（5-5）得 Uo=Ui2×1+RR+1- （5

16、-6）又因?yàn)殡娮钁?yīng)變片靈敏度為 K=R/R=2 （5-7）應(yīng)變?yōu)?=pd2Et （5-8） 代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得，=1.0×10-3，UoUi=1.5mV/V,所以Uo=1.5×10-3Ui=15mV。5.2放大電路電橋電路輸出的電壓依然比較小，所以需要通過放大電路進(jìn)行放大。因?yàn)閬碜詡鞲衅鞯男盘?hào)通常都伴隨著很大的共模電壓，一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)放來抑制它。這里我選用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。具體電路及參數(shù)如圖5.2.1所示。計(jì)算過程如下:由輸入級(jí)可得集成運(yùn)算放大器U1A的輸出Uo1和集成運(yùn)算放大器U1B的輸出Uo2分別為：Uo1=(1+R1R0) Ui1R1R0 Ui2 （5

17、-9）Uo2=(1+R2R0) Ui2R2R0 Ui1 （5-10）其差模增益為 Uo1-Uo2Ui1-Ui2 = (1+R1+R2R0) （5-11）而U1C的放大倍數(shù)為 12(R6R4+R6×R3+R5R3+R5R3) （5-12）則總的放大倍數(shù)為：Kd= 12(R6R4+R6×R3+R5R3+R5R3)(1+R1+R2R0) 工程上一般令R3=R4，R5=R6。取R1=R2=20k，R0=5k；R3=R4=4k，R5=R6=10k；仿真效果如圖5.2.2所示。此處分配放大倍數(shù)為447。 圖5.2.1 放大電路圖5.2.2 放大電路輸入輸出仿真波形5.3檢波電路相比包絡(luò)

18、檢波電路，相敏檢波電路能檢測(cè)出信號(hào)的相位，且能抑制零點(diǎn)殘余電壓。考慮到成本問題和簡易性問題，這里采用比較容易實(shí)現(xiàn)的開關(guān)式相敏檢波電路。電路參數(shù)圖如圖5.3.1所示，參數(shù)計(jì)算如下:在UC=1的半周期，Q2導(dǎo)通，Q1截止。反向輸入端通過R3接地，Ui從同向端輸入，放大倍數(shù)為 K+=R5R1+R4+R5(1+R6R3) （2-9）在UC=0的半周期，Q1導(dǎo)通，Q2截止。同向輸入端通過R1接地，Ui從反向端輸入，放大倍數(shù)為 K-=R6R1+R3 （2-10）考慮到提高輸入阻抗，取R1=R2=R3=R4=R5=R62=15k。則正半周期放大倍數(shù)為1倍，負(fù)半周期放大倍數(shù)為-1倍，則實(shí)現(xiàn)了Uo=|Ui|。仿

19、真效果如圖所示電路圖如圖5.3.2所示。圖5.3.1相敏檢波電路 圖5.3.2 檢波電路仿真結(jié)果5.4低通濾波電路由于一階濾波器的濾波效果有限，此處采用巴特沃斯逼近的無限增益多路反饋型二階有源濾波器。此種逼近方式在保持幅頻特性單調(diào)變化的前提下，通帶內(nèi)最為平坦；此種濾波器穩(wěn)定性相對(duì)比較高，但是對(duì)集成芯片的要求也比較高，電路圖如圖5.4.1所示。最終計(jì)算的理論參數(shù)：C1=0.2F；C2=1F；R1= 7.7775k；R2=10.18 k；R3= 7.7775k；選取標(biāo)稱值，取R1= 7.87k；R2=10.2 k；R3= 7.87k；仿真效果圖如圖5.4.2所示，此處用運(yùn)放做微弱信號(hào)放大，應(yīng)選用失

20、調(diào)和噪聲系數(shù)均很小的運(yùn)放，如 ICL7650 圖5.4.1 低通濾波電路圖5.4.2 仿真效果圖5.5直流放大電路經(jīng)過上述變化，此時(shí)的信號(hào)已經(jīng)為直流信號(hào)。此處選用改良的二級(jí)反相放大電路，即增加了輸入阻抗，又使得電路穩(wěn)定。采用可調(diào)的電阻，方便調(diào)整。電路圖如圖5.5.1所示，計(jì)算過程如下：由深度負(fù)反饋可算得： Uo=R24R20(1+R22R23)Ui； （5-14）為了方便調(diào)整，這里采用R24為可調(diào)電阻。經(jīng)過仿真的調(diào)試，最后仿真效果如圖5.5.2所示。圖5.5.1 放大電路圖5.5.2 仿真結(jié)果6.ADC轉(zhuǎn)換模塊用一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將低通濾波后輸出的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并用液晶屏顯示出來。因?yàn)闇y(cè)量值

21、為100MPa時(shí)輸入的供橋電壓為10V,要使在液晶屏上顯示的值直接為測(cè)量值即壓強(qiáng)而不是最后輸出電壓，只需要擴(kuò)大十倍。顯示電路仿真如圖6所示。 圖6 顯示電路仿真7.誤差分析 誤差來源主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是電阻應(yīng)變片引起的誤差，一個(gè)是電橋的非線性引起的誤差。電阻應(yīng)變片引起的誤差主要是溫度誤差，造成應(yīng)變片溫度誤差的原因有兩個(gè)，一是應(yīng)變片的敏感柵具有一定的溫度系數(shù)，二是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。沿筒長方向的R2、R3做溫度補(bǔ)償用。采用差動(dòng)電橋電路時(shí)，由于應(yīng)變片相同，那么它們引起的電阻的變化量相同，根據(jù)前面電橋電路的分析中的輸出表達(dá)式，則溫度變化引起的輸出為零，所以差動(dòng)電橋可以消除溫度變化

22、對(duì)輸出的影響，也即采用橋路補(bǔ)償法可解決溫度誤差。 由公式計(jì)算可知，只有當(dāng)R/R<<1時(shí)，電橋輸出和輸入才近似為線性關(guān)系。對(duì)于對(duì)稱電橋n=1時(shí)非線性誤差約為R/(2R)。同樣，采用差動(dòng)電橋可以減小或消除電橋的非線性誤差。還有一些如工頻等的干擾，主要通過優(yōu)化電路來解決，比如采用高共模抑制比的儀用放大器、無限增益多路反饋二階低通濾波電路等。8.總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)得到了很多鍛煉也收獲了許多之前沒有掌握的知識(shí)。很多東西都是一開始以為就是那樣，很簡單，整體思路很容易理清楚，但是真正著手每一個(gè)具體部分時(shí)才發(fā)現(xiàn)，原來有這么多的細(xì)節(jié)并且都不是很容易就能弄清楚，越查資料發(fā)現(xiàn)自己越不知道該怎么做了。從根據(jù)所需去查資料，再到把新舊知識(shí)融合理解運(yùn)用到真正設(shè)計(jì)中，這真是一個(gè)很難也會(huì)很有收獲的過程。網(wǎng)上查資料發(fā)現(xiàn)很多資料都是英文尤其是各種芯片的具體介紹，頓覺自己英文水平太低，以后要多加學(xué)習(xí)，不然很多資料都看不了。通過課設(shè)才發(fā)現(xiàn)自己課上所學(xué)的以及考試所知道的東西真的有點(diǎn)膚淺。查了不少資料也翻了許多遍傳感器和測(cè)控電路的課本，有些終于弄懂了，有些仍