基于应变片传感器的压力测量系统

计量学概论课程项目报告

一种计量保证方案的设计与应用

(基于应变片传感器的压力测量系统)

姓 名： 同组人:

分工或贡献：电阻应变片压力传感器材料选择和参数计算

课 程 名 称：基于应变片传感器的压力测量系统

指 导 教 师：田广军

完 成 日 期: 2016年12月22日

基于应变片传感器的压力测量系统

摘要：本文简要介绍了压变式压力传感器及其工作原理。本项目主要利用应变片压力传感器将应变片阻值的变化量转换为弹性元件的微小应变，从而利用力、受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。

前言：随着科学技术的迅猛发展，传感器技术已越来越广泛地应用于多种技术领域。各类传感器中，压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。本文针对电阻应变片压力传感器，对它的工作原理，材料选取、参数计算及电路设计以悬臂梁为例进行相关介绍。

1.应变式压力传感器简介及工作原理

1.1压力传感器简介

压力是生产过程和航天、航空、国防工业中的重要过程参数，不仅需要对它进行快速动态测量，而且还要将测量结果作数字化显示和记录。因此压力传感器是极受重视和发展迅速的一种传感器。压力传感器的发展趋势是进一步提高动态响应速度、精度和可靠性以及实现数字化和智能化等。

压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。

1.2应变片传感器简介

常用压力传感器有电容式压力传感器、变磁阻式压力传感器、霍耳式压力传感器、光纤式压力传感器、谐振式压力传感器、电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器及膜片电极式压力传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。

1.3应变片传感器工作原理

电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。

电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。

当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般把4个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示

R??L SS——导体的截面积（cm2）； L——导体的长度（m）；

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）；

图 电阻应变片的基本结构

电阻应变片主要由四部分组成。如上图所示,电阻丝是应变片敏感元件;基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用,并使电阻丝和被测试件之间绝缘;引出线用以连接测量导线。

2.电阻应变片压力传感器各种材料的选择和参数计算

2.1弹性元件

弹性元件在传感器技术中占有极重要的地位。在传感器工作过程中，一般由弹性敏感元件首先把各种形式的物理量变成应变量或位移量等，然后配合各种转换元件，把非电量转换为电量。

选择弹性元件应遵循以下要求： （1） 强度高，弹性极限高； （2） 具有高的冲击韧性和疲劳极限；

（3） 弹性模量温度系数小而稳定；

（4） 热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性； （5） 热膨胀系数小；

（6） 具有良好的机械加工和热处理性能； （7） 具有高的抗氧化、抗腐蚀性能； （8） 弹性滞后尽量小；

常用材料：结构钢（CrNiMo，30CrMnSiNi2A）、铝合金、钛合金……

可知结构钢的弹性模量最大，热膨胀系数小，适合制作负重大的传感器。故选用结构钢30CrMnSiNi2A，其抗拉应力是1700Mpa，屈服强度是1000Mpa，弹性模量是211Gpa。

同时本次设计选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如图所示：

图等截面梁

作用力F与某一位置处的应变关系可按下式计算：??6Fl0Ebh2

式中：ε——距自由端l0处的应变值；

l——梁的长度； E——梁的材料弹性模量； b——梁的宽度； h——梁的厚度。

通过设计，选取l=20mm,l0=14mm,b=10mm,h=3mm 现校核如下：

??6Fl0Ebh26?100?14?10?3?Mpa?93.9Mpa?1000Mpa ?3?610?10?9?10因此，选取是合理的。

2.2应变片的选择

电阻应变片是主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。箔式应变片具有敏感栅薄而宽，粘贴性能好，传递应变性能好；散热性好，敏感栅弯头横向效应可以忽略；蠕变，机械滞后小，疲劳寿命长等优点，所以非常适合本次设计的应用。

选择4片箔式应变片（BX120-02AA）阻值为120Ω，其基底尺寸是2.4×2.4?（mm×mm）。同时敏感珊的材料选择铂因为其灵敏系数达Ks=4.6，且其最高工作温度可以达800多摄氏度，栅长做到0.5mm。

应变片粘贴在距自由端l0处，R1和R4粘贴在梁的上方承受正应变，R2和R3则与之对应粘贴在下方承受负应变。 粘贴剂选择环氧树脂粘贴剂。

基底材料选择胶基，厚度为0.03mm-0.05mm。 引线材料采用直径为0.15-0.18mm的铬镍金属丝引线。

最后在安装后的应变片和引线上涂上中性凡士林油做防护作用，以保证应变片工作性能稳定可靠。 这样最大应变为：

??6Fl0Ebh26?100?14?10?3?4?Mpa?4.4?10Mpa 9?3?6211?10?10?10?9?10交流电桥的最大输出输入比为：

Uo?R?Ks???4.4?10?4?4.6?2mV/V UiR3、测量电路的设计与计算

3.1 电桥电路

应变片将应变的变化转换成电阻相对变化?R/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。常用的有两臂差动电路和全桥电路，如图3.1所示。

一般电桥的输出电压为

图两臂差动电路与全桥电路

Uo?UiR1R4?R2R3

R?RR?R?12??34?两臂差动电桥电路的电压输出为

R1??R1?R4??R2??R2?R3? Uo?UiR??R?R??RR?R?1122??34?设初始时R1?R2?R3?R4?R，工作时一片受拉一片受压，即

?R1???R2??R，则可以简化为

Uo?Ui?RUi??K? 2R2KU?Ui 2差动电桥电压灵敏度为

同理采用四臂电桥，并设初始时R1?R2?R3?R4?R，工作时

?R1??R4???R2???R3??R，输出为

Uo??RUi?K?Ui R四臂电桥的电压灵敏度为

KU?Ui

通过比较半桥与全桥的灵敏度，四臂电桥电路的灵敏度高，故选用四臂电桥电路。

3.2放大电路

由于传感器输出的电压比较小，因此需对其进行放大使之满足后续电路的处理要求。鉴于传感器输出可能杂有共模电压，为此，选取具有高共模抑制比的AD620作为放大器来达到净化信号电压和充分节约成本和制造的空间的目的。

图 放大电路

其放大增益为：G?1+49.4k?R4

为了将10mV的电压放大到10V，需要放大1000倍，为此选择分配级为50×20，这里放大50倍，因此解得R4=1.008kΩ

4、误差分析

误差的形成主要来源于温度误差，造成温度误差的原因主要有以下两个： 1、敏感栅电阻随温度变化引起误差

2、试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同，使应变丝产生附加拉长或压 缩，引起电阻变化。

这样的温度误差可以通过桥路进行补偿，如本设计中的全桥电路就很好地实现了温度的补偿；其次，电桥还具有非线性误差，由于对金属丝电阻应变片，电桥非线性误可以忽略，所以也不影响本次设计。

最后，对于如同工频等的干扰，我们尽量通过电路的优化除去干扰，如通过高共模抑制比仪放以及低通滤波器进行改进。

因此，从理论上说，本次设计中的误差还是比较好地得到了控制。

【参考文献】

[1]传感器设计及应用实例，刘少强，张靖，中国电力出版社； [2]传感器应用设计300例,北京航空航天大学出版社； [3]传感器应用及电路设计,化学工业出版社；

[4]传感器原理及工程应用，郁有文、常健、程继红,西安电子科技大学出版社； [5]传感器原理及应用，赵燕，北京大学出版社。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fnx5.html