电阻应变片的压力传感器设计.docx

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
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
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
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。
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QBe17-4PH不锈钢恒弹性合金3J53密度g/cm38.257.808.0屈服极限MPa103018501250弹性模量MPa134×103195×10370×103线膨胀系数
at/×10-6℃-117.610.8泊松比0.320.2720.30机械品质因数————≥1000弹性模量温度系数35×1