基于电阻应变片的压力传感器设计.docx

目录
1.绪论 2
2.方案的选择 3
2.1方案的制定 3
2.2方案的确定 3
3.弹性元件 5
3.1弹性元件材料选择 5
3.2弹性元件受力分析 5
3.3弹性元件尺寸设计 6
3.4强度校核 7
4.应变片的选择 8
4.1应变片类型的选择 8
4.2阻值的选择 8
4.3材料的选择 8
4.4应变片的粘贴 8
5.测量电路的设计 10
5.1电桥电路 10
5.1.1电桥选择 10
5.1.1电桥输出 10
5.2放大电路 11
5.3检波电路 12
5.4低通滤波电路 14
5.5直流放大电路 15
6.ADC转换模块 16
7.误差分析 17
8.总结 17
参考文献 17
附录1 18
附录2 19

基于电阻应变片的压力传感器设计
1.绪论
本次课程设计的是一个基于电阻应变片的压力传感器，参考实物为YPR-8传感器，实物图如图1.1所示，主要技术指标如表一所示。本次设计选择的指标如表2。
电阻应变式压力传感器的工作原理是，把应变片贴在测量压力的弹性元件上，当被测压力发生变化时，弹性元件内部应力的变化使得应变片的阻值随之改变，通过测量电阻来测得压力。电阻应变式压力传感器主要是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成。

图1.1YPR-8实物图
表1主要技术指标

表2选择的技术指标
规格100MPa灵敏度1.25mV/V过载能力120%F.S激励电压10V

2.方案的选择
2.1方案的制定
在测量压力上主要用到的是柱式传感器。柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种，如图3.1.1所示

图2.1.1柱式传感器的弹性元件
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桥和全桥电路，如图2.1.2所示

图2.1.2直流电桥电路
2.2方案的确定
柱式以实心或空心圆形或方形主体作为弹性元件，其特点是结构简单、紧凑、易于加工，可设计成压式或拉式，或拉压两用型，可承受最大载荷107N，用于大、中量程的传感器，且对于空心圆柱型，灵敏度和抗横向干扰可得到提高。本次的设计要求为测量范围为0～100MPa的压力传感器，所以取空心圆柱体作为弹性元件。
电路转换部分： 
一般电桥的输出电压为（2-1）
两臂差动电桥电路的电压输出为（2-2）
设初始时R1=R2=R3=R4=R,工作时一片受拉一片受压，即△R1=-△R2=△R，则式（2-2）可以简化为（2-3）
差动电桥电压灵敏度为KU=Ui2（2-4）
同理若采用四臂电桥，设初始时R1=R2=R3=R4=R，工作时△R1=△R4=△R3=-△R2=△R时，输出为（2-5）
四臂电桥的电压灵敏度为KU=Ui（2-6）
通过比较其电压灵敏度知四臂电桥（全桥）电路的灵敏度高，故选用全桥电路。

3.弹性元件
3.1弹性元件材料选择
空心圆柱常取的的材料有结构钢（30CrMnSiNi2A、CrNiMo）、铝合金、钛合金等。材料的弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数如表2所示。
表2常用材料弹性模量泊松比

通过比较知结构钢的弹性模量最大，热膨胀系数最小，适合应用制作负重大的传感器，故在本次课程设计中选取结构钢30CrMnSiNi2A作为弹性元件的材料，材料的弹性模量E=200GPa，弹性极限σb=1080MPa。
3.2弹性元件受力分析
轴向应力分析：如图3.2.1所示。
内压产生的轴向合力与壳壁横截面上的轴向总压力相等，则
π4D2p=πDtσφ（3-1）
可得：σφ=pD4t

图3.2.1轴向应力

周向应力分析：如图3.2.2所示
0πpD2lsinαdα=2tlσθ（3-2）
可得：σθ=pD2t

图3.2.2周向应力
3.3弹性元件尺寸设计
本次设计灵敏度设计为1～1.5mV/V，应变片布片方式如图3.2.1所示R1R4为工作应变片，R2R3为温度补偿片，电桥如图3.2.2所示。取µ=0.5，g=9.8m/s2。
电桥的输出表达式为（3-3）
即（3-4）
取应变片灵敏系数K=2，U0Ui=1.5mV/V，带入上式得到应变最大值为1.0×10-3，所以取[ε]=1.0×10-3。

图3.2.1布片方式图桥路连接方式
由理论力学知道筒性薄壁压力容器
σc=pd2t（3-5）式中，p为被测压力，d为筒内径，t为筒壁厚
又ε=σc/E
可得[ε]≫pd2Et（3-6）
代入数据可求得dt≪4，且D-d=2t
则Dd≫1.5
弹性元件的外径不可取太小，否则会由于力的偏心造成很大的误差。所以取外径D=15mm,则内径d=10mm，所以壁厚t=2.5mm。
应变柱的有效工作长度为
（3-7）
式中，lg为贴应变片所需长度。
代入数