基于應(yīng)變片傳感器的壓力測量系統(tǒng)

1、計(jì)量學(xué)概論課程項(xiàng)目報(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量系統(tǒng))姓 名： 同組人: 分工或貢獻(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(xiàng)目主要利用應(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)的迅猛發(fā)展，傳感器技術(shù)已越來

2、越廣泛地應(yīng)用于多種技術(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、成本低、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)。本文針對電阻應(yīng)變片壓力傳感器，對它的工作原理，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)行相關(guān)介紹。1.應(yīng)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(chǎn)過程和航天、航空、國防工業(yè)中的重要過程參數(shù)，不僅需要對它進(jìn)行快速動態(tài)測量，而且還要將測量結(jié)果作數(shù)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(jìn)一步提高動態(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壓力作用于某個面積上并轉(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。1.2應(yīng)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(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

4、較好的線性特性。它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。1.3應(yīng)變片傳感器工作原理電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。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)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(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)變片組成的測量電路和彈性敏感元件組合起來的傳感器。當(dāng)彈性敏感元件受到壓力作用時(shí)，將

5、產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在表面的電阻應(yīng)變片也會產(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應(yīng)關(guān)系，就可以通過測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)體的長度（m）

6、；圖 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片主要由四部分組成。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,并使電阻絲和被測試件之間絕緣;引出線用以連接測量導(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：（1） 強(qiáng)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(shù)小而穩(wěn)定；（4） 熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；（5） 熱膨脹

7、系數(shù)??；（6） 具有良好的機(jī)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(jié)構(gòu)鋼（CrNiMo，30CrMnSiNi2A）、鋁合金、鈦合金可知結(jié)構(gòu)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。故選用結(jié)構(gòu)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，其示意圖如圖所示：圖 等截面梁作用力F與某一位置處的應(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梁的長度； E梁的材料彈性模量； b梁的寬度； h梁的厚度。通過設(shè)計(jì)，選取l=20mm,

8、=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（BX120-02AA）阻值為120，其基底尺寸是2.42.4（mmmm）。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

9、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。 基底材料選擇膠基，厚度為0.03mm-0.05mm。 引線材料采用直徑為0.15-0.18mm的鉻鎳金屬絲引線。 最后在安裝后的應(yīng)變片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，才能用電測儀表進(jìn)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(shè)初始時(shí)，工作時(shí)一片受拉一片受壓

10、，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(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(jìn)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(dá)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(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加拉長或壓 縮，引起電阻變化。 這樣的溫度誤差可以通過橋路進(jìn)行補(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(jìn)行