电阻应变片的压力传感器设计.doc

湖 南 科 技 大 学

传 感 器 课 程 设 计

题目

作者

学院
机电工程学院
专业
测控技术与仪器
学号

指导教师
杨书仪 凌启辉

二〇一七 年 六 月 十 日

湖南科技大学本科生课程设计
摘要
应变式传感器应用广泛，很多地方都得以应用，而本次课程设计的重点是设计一个应变片柱式传感器用来称重。研究的重点是传感器的基本原理，其中包括基本的理论分析、弹性元件的选材、弹性元件的尺寸设计、应变的选材、应变校验等。
课程设计的内容包括：掌握和了解相关传感器的基本测量方法和研究动态、制定传感器测量方案、进行必要的理论计算分析、用CAD对传感器结构及零件进行设计、对转换电路进行计算和设计等。

关键词：圆柱式、应变片、称重、形变    

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目录

一、工作原理及特点——————————————————1
1、工作原理————————————————————————1
2、测量特点————————————————————————1
二、柱式传感器结构设计————————————————2
1、弹性元件材料的选定及要求————————————————2
2、弹性元件材料的处理———————————————————3
3、几种应变片的比较及选定—————————————————3
4、应变片材料的选定及要求—————————————————4
三、相关理论分析———————————————————6
1、弹性敏感元件的特性参数计算———————————————6
2、应变片参数的计算————————————————————7
3、弹性元件变形与应变片电阻值关系—————————————7
四、电路的设计————————————————————9
参考文献—————————————————————10

一、工作原理及特点
一、 工作原理
基本测量原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化。也就是利用金属的电阻应变效应(金属丝在受外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化)将测量物体变形转换城电阻值的变化，再由转换电路变成点亮的输出。
引起的电阻阻值变化ΔR，伸长量Δl，电阻率变化量Δρ，横截面积相应减少量ΔS；则有：
（1-1）
式中的Δl/l为电阻式的轴向应变，用ε表示，径向应变为Δr/r ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩关系用泊松比μ表示为Δr/r=-μ(ΔL/L)
（1-2）
式（1-2）中，k0称为金属电阻的灵敏系数，k0受两个因素影响：一个是（1+2μ），它由材料的几何尺寸决定；另一个是Δρ/(ρε)，它表示材料的电阻率ρ随应变而变化。对金属材料而言，前者为主，其k0≈1+2μ。实验表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与横向应变成正比。通常金属丝的灵敏系数k0 = 2左右。
二、 测量特点
以电阻应变片和敏感元件组成。将电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件在测量时其表面会出现变形，导致其表面附着的电阻应变片的阻值随之变化，与之相应的测量转换电路将这一非电量的变化转化为电量输出。该类型传感器具有以下特点：
①精度高，测量范围广，适合静态和动态测量；
②使用寿命长，性能可靠稳定；
③结构简单，尺寸小。

二、柱式传感器结构设计

柱式传感器的弹性元件分为实心和空心。应变片粘贴在弹性体外壁应力均匀的中间部分，并均匀对称地粘贴多片。因为弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性有影响。根据材料力学分析和试验研究的结果，对实心圆柱，一般H≥2D+l，而空心圆柱一般取H≥D-d+l，式中H为圆柱体高度，D为圆柱外径，d为空心圆柱内径，l为应变片基长。
柱式传感器结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。在测103 ~105N时，为了提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱式结构。

一、弹性元件材料的选定及要求
弹性形变的定义：是指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体又恢复原状谓之"弹性形变"。这种物体称为弹性元件或弹性体。
弹性敏感元件在传感器中占据很重要的地位。在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件将非电量转换成弹性元件的形变，然后配合转换电路转换成电量。所以说弹性元件在传感器中应用是十分广泛的。
为了适合本课程设计的要求，对弹性材料提出以下要求：
①具有高强度、高弹性特性;
　②温度变化系数小、热膨胀系数小、时间稳定性好;
　③具有小的弹性滞后;
　④组织均匀，热处理后的残存应力小;
　⑥冲击韧性好，加工工艺性好;
　⑦具有抗氧化性。

参照新编传感器手册得下表：
材料
铍青铜QBe
17-4PH不锈钢
恒弹性合金3J53
密度g/ cm3
8.25
7.80
8.0
屈服极限MPa
1030
1850
1250
弹性模量MPa
134×103
195×103
70×103
线膨胀系数
at /×10-6℃-1
17.6
10.8
7.5-8.1
泊松比
0.32
0.272
0.30
机械品质因数
——
——
≥1000
弹性模量温度系数
35×10-5/℃
——
——
表1

根据应变式传感器的使用特性和性能指标，本次设计采用17-4PH不锈钢作为弹性元件的制作材料。主要是因为该材料具有以下特点：合金是沉淀、淬水、马氏体的不锈钢，且具有高强度、硬度和抗腐蚀等特性经过热处理后，材料的特性将更加完善。

二、弹性元件材料的处理
为了提高弹性材料的强度和韧劲，要进行热处理。对17-4PH不锈钢进行H900热工艺处理：
1、预热，加热温度：850±10℃，保温时间：35±5min。
2、固溶，加热温度：1040±5℃，保温时间：80±5min；真空度：1～30Pa；油冷，油温：25～70℃，油中停留时间：10±2min。
3、清洗，将零件浸入80～100℃的清洗槽①中清洗20～30min，出槽后浸入20～40℃的漂洗槽②中漂洗2～5min，出槽后晾干或吹干。
4、时效，加热温度：480±5℃，保温时间：250±10min，空冷到室温。
之后采用反复加载和机械振动的方法，可以释放材料内部的应力

三、几种应变片的比较及选定
1、金属丝式应变片
金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式应变片它的敏感栅丝直径在0.012 ~ 0.05mm，以0.025mm左右为最常用，回线的曲率半径r为0.1~0.3mm，基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效的传递变形。引线多用0.15~0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部分的变形使横向效应增大。
为了克服横向效应，有短接式应变片。其两端用直径比栅丝直径粗5 ~10倍的镀银丝短接而成。由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，故使用较少。
丝式应变片敏感栅的材料的要求是：灵敏系数高，电阻率高，稳定好，温度系数小，机械强度高，抗氧化，耐腐蚀。常用的材料有锰白铜（亦称康铜），镍铬合金，镍铬铝合金，铁镍铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。
2、金属箔式应变片
金属箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003 ~ 0.01mm电阻铂材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。
它的优点是：①可以制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长l最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，提高输出灵敏度；③横向效应可以忽略；④蠕变、机械滞后下，疲劳寿命长。目前箔式应变片得到了广泛应用，现在已基本取代金属丝电阻应变片。它的主要缺点是电阻值的分散性大，有的能相差几十欧姆，故需要做阻值调整。
3、金属薄膜应变片
金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产，是一种很有前途的新型应变片。
这种应变片的特点是：电阻值比箔式应变片高，形状和尺寸箔式应变片更小更精确；他没有箔式应变片腐蚀所引入疵病；制成的结构散热性好，对于较宽的温度范围也可以达到较完善的补偿；特别是近年激光调阻技术的发展，提高了电阻值的精度，可达0.01％。尤其突出的是：陶瓷绝缘代替了胶接，既避免了复杂的分选和粘贴技术，而且对胶接法所引入的漂移、蠕变、疲劳弱点都有很大的克服。
4、半导体应变片
利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻传感器的灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
因为半导体材料对温度很敏感，因此该类传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
对于金属箔式应变片，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度，故允许通过较大的电流，因而可以有较大的输出，提高了测量灵敏度。综合一些金属箔式应变片的优点，和考虑到工艺技术的有限及性价比问题，该次设计采用金属箔式应变片。

四、应变片材料的选定及要求
1、敏感栅材料
制造应变片时，对敏感材料的要求：
①灵敏系数Ks和电阻率ρ要尽可能高而稳定，电阻变化率ΔR/R与机械应变ε之间应具有良好而宽广的线性关系，即要求Ks在很大范围内为常数；
②电阻温度系数小，电阻——温度之间的线性关系和重复性好；
③机械强度高，碾压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；
④抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。
制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬和金、贵金属（铂、铂钨合金）材料等，材料性能见下表：
名称
牌号及成分
ρ/（Ω﹒mm2/m）
α/(10-6/℃)
Ks
βs/（10-6mm/℃）
最高使用温度/℃
康铜
Ni45Cu55
0.45~0.52
±20
1.9~2.1
15
300（静态）
400（动态）
镍铬合金
Cr20Ni80
1.0~1.1
110~130
2.1~2.3
14
450（静态）
800（动态）
卡玛
6J22
Ni74Cr20Fe3AB
1.24~1.42
±20
2.4~2.6
13.3
450（静态 ）
800（动态）
伊文
6J23
Ni75Cr20A13Cu2
1.24~1.42
±20
2.4~2.6
13.3
450（静态 ）
800（动态）
铁铬铝合金
Fe70Cr25A15
1.3~1.5
19~40
2.3~2.8
14
550（静态）
1000（动态）
贵金属
Pt
Pt92W8
0.09~0.11
0.68
3900
227
4~6
3.5
8.9
8.3~9.2
800（静态）
1000（动态）
表2

基于上述材料的性能比较分析，选用镍铬合金作为敏感栅材料。
2、应变片基底材料及引线材料
对基底材料性能有如下要求：①机械强度好，挠性好；②粘贴性能好；③电绝缘性能好；热稳定性能好和抗湿性好；⑤无滞后和蠕变。
应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基（有机聚合物）取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚约0.03~0.05mm。
引线材料采用镍铬合金材料。

三、相关理论分析计算
一、弹性敏感元件的特性参数计算
柱式弹性元件的特点是结构简单，可承受很大的载荷，根据截面形状可分为实心截面和空心截面，而本次课程设计采用空心截面。
在力的作用下，它以应变作为输出量。在承受轴向作用力F时，在与轴线成α角的截面上所产生的应变、应力为
（3-1）
（3-2）
因此在轴向（α=0）所产生的应力、应变为
（3-3）
（3-4）
横向（α=90）所产生的应力、应变为
（3-5）
（3-6）
有查表得知，弹性元件17-4PH不锈钢的屈服极限σs=1850MPa，，若取安全系数n=3.7，可求弹性元件的许用应力

弹性元件空心圆柱的截面面积

空心圆柱的内径和外径的确定。考虑构建的稳定性以及加工的难易程度，还有对于金属箔式应变片在外径上的粘贴情况，使贴片部分应力均匀，空心圆柱长度L=（2~2.5）D ，现取内径d=20mm ；

为保证圆柱加工的简单，适当调整D的大小，取D=25mm，取L=2D=50mm
重新计算空心圆柱截面面积：

综上所述，最终选取17-4PH不锈钢制成空心圆柱的内径d=20mm，外径D=25mm，圆柱的高度L=50mm，截面面积A=177mm2。
二、应变片参数的计算
应变片内敏感栅材料的直径范围为0.01~0.05mm，，其基底很薄，一般在0.03mm左右，能保证有效传递变形。查阅一些资料，发现栅丝的的栅长在0.6~50mm之间，应变片宽度在1~8mm之间。栅丝材料选择镍铬合金，该材料的灵敏系数2.1~2.3。
现选取敏感栅截面积为0.001mm2，取栅丝长10mm，应变片宽度取3.3mm，取灵敏系数为2.2。镍铬合金的的电阻率ρ=（1.0~1.1）Ω•mm2/m ，取电阻率为1.0Ω•mm2/m。应变片的电阻值已经趋于标准化，有60Ω，120Ω，350Ω，600Ω，和1000Ω各种阻值，其中以120Ω最常使用，所以该应变片设计也采用120Ω阻值。
金属丝电阻阻值的计算公式
（3-7）
求出金属丝的总长度

将这120mm的绕成12段，每一段10mm
关于箔式应变片最后的设计结果是：
电阻值
基长*基宽
栅长*栅宽
灵敏系数
基底材料
栅丝材料
120Ω
14.2*4.1mm
10*3.3mm
2.2
胶基
镍铬合金

应变片的模板大致如下图 ：

图1 应变片图

三、弹性元件变形与应变片电阻值关系
在空心圆柱外圆壁上竖直对称贴上4片应变片，并在这4个应变片下面横向贴上一个应变片。当重物产生的重力作用在空心圆柱上时，空心圆柱发生弹性变形，空心圆柱的变形导致竖直粘贴在外壁上的应变片也跟着发生同样的变形，金属丝变形导致电阻值变化，通过电桥电路从而转换成电量的输出，而横向粘贴
的应变片并不发生应变形变，只做温度补偿的作用。
外力作用在空心圆柱引起的变形量

圆柱弹性形变ε，一个应变片12段栅丝产生的总变形为12ε，此时的栅丝总长度为120-12εmm根据金属丝变形前后的体积不变，可得

电阻值的变化（减小）ΔR

根据电桥电路，将阻值的变化转换成电量输出：

图2 电桥电路图
将R1与R3串联，R2与R4串联放在相应的臂上，用来减少弯矩的影响，而横向贴片只做温度补偿作用，用12V恒压源对电桥进行供电。
因为四个桥臂的电阻阻值都相等，又因为是差动式电桥，所以输出电压为：

输出电压与重物重力的关系：

四、电路的的设计

采用三运放高共模抑制比放大电路：

图3 三运放高共模抑制比放大电路

输出电压与输入电压的关系：
- （4-1）
利用放大电路将输入的电压放大15倍。现选取转换电路中各电阻的阻值为：
R1=R2=100KΩ,R0=10KΩ,R3=R4=140KΩ,R5=R6=100KΩ,R7=R8=10KΩ,RP=20KΩ。

参考文献

【1】 《最新传感器实用手册》 ，杨帮文主编，人们邮电出版社，2004年
【2】 《新编传感器实用宝典》 ，杨帮文主编，机械工业出版社，2005年
【3】 《传感器手册》 ，鲍丙豪编，化学工业出版社，2007年
【4】 《传感器原理、设计与应用》 第5版，刘迎春编，国防工业出版社，2015年
【5】 《传感器》 第5版，唐文彦主编，机械工业出版社，2017年
【6】 《常用传感器应用电路的设计与实践》 ，何希才主编，科学出版社，2007年
【7】 《测控电路》 第5版，李醒飞主编，机械工业出版社，2017年

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