应变片压力测量实验

传感器与检测技术研究小论文 - I -

“传感器与检测技术”研究小论文

基于应变片传感器的压力测量

姓名： 李 班级： 2011 学号：

2014年 4 月 14 日

传感器与检测技术研究小论文

目录

第1章 应变片传感器综述 ................................................................................ 3 1.1 应变片传感器简介 ................................................................................... 3 1.2 应变片传感器的工作原理 ....................................................................... 3 第2章 传感器的选用 ........................................................................................ 4 2.1 几种传感器及外围电路的比较 .............

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

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

实验二 应变片半桥、全桥性能比较实验

一、实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能，了解应变片全桥工作特点及性

能。

二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。

不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。其桥路输出电压Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE 。应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈(△R／R)E＝KεE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。

图2—1 应变片半桥特性实验原理图

图2—2应变片全桥特性实验接线示意图

三、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流

稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤：

1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。

2、关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实

验。读取相应的数显表电压值，填入

课程设计初步报告

课题名称：应变片设计测力系统

一．电阻应变式压力传感器

电阻应变式压力传感器工作原理

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。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。

因全桥工作时候输出的电压信号较大，线性稳定性较好，所以我们采用全桥工作，用四臂工作的全桥接法时测量电桥有较高的灵敏度应变片式位移传感器测 量精度也较高，能起到温度自动补偿的作用。

下图为悬梁式弹性体和全桥的基本结构：

电桥电阻失平衡

由工艺上的原因，扩散杂质通常在硅片上的分布是不均匀的。压力传感器芯片力敏屯阻之问往往肯一定的间距，其掺杂景也会出现筹别”1。在这种情况下，传感器制成后．使出现电桥的零点失平衡

电阻应变片的工作原理

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

电阻应变片贴片技巧公开

电阻应变片贴片技巧公开

目前市面上流行的称重传感器，高压力传感器以及扭矩传感器都是贴片工艺制造的也就是粘贴电阻应变片。电阻应变片贴的好坏影响传感器的特性，不如精度，输出信号大小等，如果粘贴的不好，传感器也就是一个次品无法在进行下一步的工艺。因此可以说传感器最关键最基本的一步就是粘贴电阻应变片。（电阻应变片的组成及工艺原理请参见我司撰写的其他文章）。上次“扭矩传感器技术公开”的这一文章上也大致的说了下贴片的重要性。故此，着重用一篇文章来介绍如何贴电阻应变片。下面的介绍中我以实验的方式向大家介绍这一工艺。如有其他问题也可以与我司人员联系。 一、实验目的

１．了解应变片的测量原理、结构、种类；

２．掌握应变片的粘贴技术及质量检查与防潮方法。 二、实验原理（应变片）

在机械工程测试技术中，广泛应用电阻应变片，因为它能准确地测量各种力参数。对于应变片的正确选取和粘贴质量的好坏，将直接影响应变片的性能和测量的准确性。 （一）应变片的分类

应变片可分为金属式和半导体式两大类： 金属式：丝式、箔式、薄膜式； 半导体式：薄膜式、扩散式。

根据基底材料不同又可分为纸基、胶基和金属片基等。 （二）基底材料

基底材料要满足如下要求：机械强度高

实验四 管道水击压力测量实验

1. 实验原理

水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。水击现象可大致作如下描述：有压管道流动的流量突变→流速突变→由于流动的惯性，造成压强大幅波动→流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播。

以阀门突然关闭为例，将有一个增压、增密度、增管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播，压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动，这就是水击波。 1.1 水击波的压强增值

在已知水击波传播速度c的条件下，压强增量Δp与流速大小增量Δv的关系为

?p??c??v

1.2 水击波的传播速度

水击波传播速度为

c?1???式中

?1d?1dA??????dpAdp?

1d?11dA?，K为液体的体积弹性系数，反映管壁的弹性，对于直径为D的圆?dpKAdp管

1dAD?，其中E为管壁材料的弹性系数，δ为管壁厚度。于是 AdpE?

c?1??D??1??KE????K/?1?DKE?

若忽略管壁弹性，即认为E=∞，则c0?K??dp，为声波在水中的传播速度d?（c0=1435m/s），以c?c0。水电站引水管的D/δ≈100，c≈1000m/

应变片的工作原理

将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。

即 ΔR/R= K×ε 在这里 R：应变片的原电阻值Ω ΔR：伸长或压缩所引起的电阻变化Ω K：比例常数(应变片常数) ε：应变

不同的金属材料有不同的比例常数K。铜铬合金的K值约为2。这样，应变的测量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。但是由于应变是相当微小的变化，所以产生的电阻变化也是极其微小的。例如我们来计算1000×10?6的应变产生的电阻的变化。应变片的电阻值一般来说是120 欧姆，即

ΔR/120=2×1000×10-6 ΔR=120×2×1000×10?6= 0.24Ω

电阻变化率为 ΔR/R=0.24/120=0.002→0.2%

要精确地测量这么微小的电阻变化是非常困难的，一般的电阻计无法达到要求。为了对这种微小电阻变化进行测量，我们使用带有韦斯通

压力测量

1、 有一容器用封液为水银的U型管压力计测得压

力，如图所示，水银柱高h=200mm，已知大气压力为101.325kPa，求容器内的绝对压力和表压力（已知水银在20℃时的密度?=13545.7kg/m3）。（ans=74775kPa；-26.5496 kPa）

2、 用单管压力计测量某压力，当封液是密度

?=810kg/m3的染色酒精时，其示值h=3.9 kPa，如果改用封液密度?=850kg/m3的酒精，问此时的示值是多少？（ans=3.716 kPa）

3、 对于封液为水银的线性标度单管压力计，分割间

距为1mm，测压肘管内径d=8mm，宽容器内径

确定该压力计每个分格所代表的压力D=60mm，

值。（ans=135.2 kPa）

4、 用斜管压力计测量锅炉烟道中的负压，如图所

示，斜管倾角?=30o，标尺水银柱长度l=200mm，斜管内径d=5mm，宽容器内径D=75mm，当地大气压力为100.92 kPa，求烟道负压及绝对压力（ans=986.6 kPa；99932.4 kPa）

5、 测量某管道蒸汽压力，压力表低于取压口8m，

已知压力表示值P=6MPa，压力信号管内凝结水的平均温度t=60℃，水的密度?=985.4 kg/m3。求蒸

金属箔式应变片——单臂电桥性能实验实验报告

一、实验目的：

了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、实验仪器：

应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。 三、实验原理：

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为

?R?k?? （1-1） R式中

?R为电阻丝电阻相对变化； Rk为应变灵敏系数； ?l??为电阻丝长度相对变化。

l金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件。如图1-1所示，

将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。

图1-1双孔悬臂梁式称

重传感器结构图

通过这些应变片转换弹性体被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5=R6=R7=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压

U0?E?4?R/R（1-2）

1?R1??2R1?R??100%。 2RE为电桥电源电压；

式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=?

图1-2单臂电桥面板接线图