基于电阻应变片的压力传感器设计

1、目录1.绪论22.方案的选择32.1方案的制定32.2方案的确定33.弹性元件53.1弹性元件材料选择53.2弹性元件受力分析53.3弹性元件尺寸设计63.4强度校核74.应变片的选择84.1应变片类型的选择84.2阻值的选择84.3材料的选择84.4应变片的粘贴85.测量电路的设计105.1电桥电路105.1.1电桥选择105.1.1电桥输出105.2放大电路115.3检波电路125.4低通滤波电路145.5直流放大电路156.ADC转换模块167.误差分析178.总结17参考文献17附录118附录219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

2、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1.1 YPR-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10V2.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

3、.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0100MPa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

4、）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

5、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b=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 4D2p=Dt （3-1）可得：=pD4t图3.2.1 轴向应力周向应力分析：如图3.2.2所示 0pD2lsind=2tl （3-2）可得：=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11.5mV/V，应变片布片方式如图3.2.1所示R1R4为工作应变片

6、，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=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c=pd2t （3-5）式中，p为被测压力，d为筒内径，t为筒壁厚又 =c/E可得 pd2Et （3-6）代入数据可求得dt4，且D-d=2t则Dd1.5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

7、，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。代入数据后可得lw=(21.324.3)mm，柱高的确定：对于圆柱筒式传感器有HD-d+L，为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高h应当选的小一些，所以可取h=30mm。3.4强度校核由于壁薄，还需要检验是否会出现局部失稳，薄壁管的失稳临界应力为 （3-8）校核在过载120%情况下，bm=26.67GPa>b，所以在过载120%情况下不会出现局部失稳现象。4.应变片的选择4.1电阻应变片类型的选择电阻应变片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。本次课设内容为设计筒式压力传感器，在

8、工作中受轴向压应力。对于丝式应变片，丝绕式的弯曲部在轴向应力作用下的变形会使其横向效应较大，短接式焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，不适用于动态应变测量，所以不选用丝式应变片，而选用箔式应变片。箔式应变片是由光刻或腐蚀技术制成的，敏感栅厚度为0.003mm0.01mm，其由许多优点，敏感栅与基片接触面积大，散热性能好，且易批量生产，电阻均匀，离散型小，可制成任意形状以适应不同的要求。4.2阻值的选择国家标准中电阻应变片的阻值规定为60、120、200、350、500、1000，电阻值越大的应变片，允许的工作电压也越大，灵敏度高，但相应的应变片的尺寸也要增大。设计专用传感器使用的应变片一般选用35

9、0，测量时为了提高灵敏度，常提高电桥的输出电压。4.3 材料的选择应变片的敏感材料一般有康铜、卡玛丝、半导体等。在本次设计中，传感器工作环境为常温，环境温度波动不大，应变片灵敏系数K取2，所以敏感栅材料取康铜即可，康铜电阻温度系数小，有良好的温度稳定性，灵敏度系数均匀、恒定不变，适用于常温和中温场合。基底材料分为纸基和胶基两大类，目前纸基已逐渐被性能更好的胶基取代，所以本次设计基底材料选用胶基，胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度为0.03mm0.05mm。对粘接剂材料的要求是有一定的粘接强度，能准确传递应变，对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用，且有较宽的使用温度范围和良好的

10、耐疲劳性能。环氧树脂类粘接剂为一款常用的粘接剂，内应力小，对胶接强度影响小，加之环氧固化物的蠕变小，所以胶层的尺寸稳定性好。疲劳强度高，耐腐蚀性能好，价格比较低，适于粘接胶膜与玻璃纤维布，使用温度范围广，满足本次设计的所需要求，因此粘接剂材料选用环氧树脂类粘接剂。若应变片所粘贴的材料材质均匀，弹性模量高，可以选择栅长小的应变片。若是弹性模量低的材料，由于在应变片的基片端部附近产生应力集中，所以应考虑对测试精度的影响。对于材料不均匀或强度不高的试件材料，如木材混凝土等，应取足够大的栅长为好，以便能测出较长范围内的平均应变值。因此对于本次设计，应变片规格选用BH350-3AA箔式应变片，其为环氧基

11、地，一般用于传感器，标称阻值为350，栅长×栅宽3.0x×3.0mm，基底尺寸为7.6×4.4mm。4.4 应变片的粘贴1应变片准备1）外观检查：检查基底是否破损，敏感栅是否有锈斑，引线是否有折断的危险，观察敏感机是否排列整齐，是否有气泡存在，如果上述条件不符合，则认为该片不合格。2）阻值测量：测量电阻值，剔出断路、短路者，保证同一组应变片的阻值相差在±0.3欧范围内。2粘贴表面准备为了使应变片粘贴牢固，需对被贴表面进行机械化学处理，处理范围应为应该片面积的三倍。首先去油污、锈斑、氧化膜等，然后用细砂布相对贴片轴向交叉450打磨，直到表面粗糙度为3.2左

12、右。表面粗糙度过高或过低均影响应变片的粘贴牢固程度。经上述处理后，紧接着用浸有酒精或丙酮的砂布或棉球进行清洗，然后画出贴片定位线，再将浸有溶剂的砂布或棉球按一个方向擦洗，直至砂布或棉球上不见污迹为止。擦过的表面要避免再次被污染，待溶剂挥发，表面干燥后，立即涂胶贴片。如不能及时粘贴，隔段时间后必须重新清洗。3贴片在清洗过的贴片处表面涂一层薄而均匀的粘接剂。然后迅速将应变片放在粘贴部位上，用捏子把应变片调整至贴片位置（然后将塑料薄膜盖于应变片上，用手指柔合滚压挤出多余胶水和应变片下之气泡，使应变片完全贴和，直至应变片贴牢为止。待自然干燥一段时间后，由应变片无引线一端开始向有引线一端揭掉塑料薄膜方向

13、尽量与贴片表面平行，以免将片带起，然后把引线轻轻拉起。至此贴片基本结束，然后对贴片的质量进行以下几项检查：1）基底或盖层有无破坏，敏感栅有无变形。2）贴片有无引起断路。3）粘结层中有否气泡和局部没有贴上的现象。4）对测力环表面是否短路，其绝缘强度是否达到要求。发现上述问题，如无法排除则必须刮掉后经清洗再重新贴片。5.测量电路的设计5.1电桥电路应变片把应变转换为电阻的变化，为显示或记录应变的大小还要把电阻的变化转换为电压或电流的变化，通常采用电桥电路来实现微小阻值变化的转换。显而易见，电桥电路的作用就是把电阻片的电阻变化率R/R转换成电压输出，然后提供给放大电路放大后进行测量。当电桥输出端接有

14、放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压。5.1.2电桥选择直流电桥优点是高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡的电路简单，缺点是容易受工频干扰产生零点漂移，动态测量时往往采用交流电路，所以这里我采用交流电桥。为了消除非线性误差和温度误差对测量结果的影响，我采用四臂差动电桥。为使交流电桥平衡，即满足 Z1Z4=Z2Z3 (5-1)1+4=2+3 (5-2)常用的电容调零电路如图5.1所示。图5.1 电容调零电路频率的选择按照大于信号频率十倍的原则。因为设计的传感器为压力传感器，其波动较大，故选取频率更高

15、一些较好。这里设计为5kHz。电桥输出四臂电桥的输出电压为 Uo=UiR1R4-R2R3R1+R2R3+R4 （5-4）四臂差动电桥初始时R1=R2=R3=R4=R，工作时各桥臂应变片电阻变化为R1、R2、R3、R4，工作时满足R1=R4=R，R2=R3=-R，已知设计量为：量程为100MPa, 材料弹性模量为200GPa,泊松比0.5，灵敏系数为2，具体计算过程如下： Uo=Ui4×R1R-R2R-R3R+R4R1+12(R1R+R2R+R3R+R4R) （5-5）将R1=R4=R，R2=R3=-R代入式（5-5）得 Uo=Ui2×1+RR+1- （5-6）又因为电阻应变

16、片灵敏度为 K=R/R=2 （5-7）应变为 =pd2Et （5-8） 代入数据计算可得，=1.0×10-3，UoUi=1.5mV/V,所以Uo=1.5×10-3Ui=15mV。5.2放大电路电桥电路输出的电压依然比较小，所以需要通过放大电路进行放大。因为来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压，一般采用差动输入集成运放来抑制它。这里我选用三运放高共模抑制比放大电路。具体电路及参数如图所示。计算过程如下:由输入级可得集成运算放大器U1A的输出Uo1和集成运算放大器U1B的输出Uo2分别为：Uo1=(1+R1R0) Ui1R1R0 Ui2 （5-9）Uo2=(1+R2R0)

17、 Ui2R2R0 Ui1 （5-10）其差模增益为 Uo1-Uo2Ui1-Ui2 = (1+R1+R2R0) （5-11）而U1C的放大倍数为 12(R6R4+R6×R3+R5R3+R5R3) （5-12）则总的放大倍数为：Kd= 12(R6R4+R6×R3+R5R3+R5R3)(1+R1+R2R0) 工程上一般令R3=R4，R5=R6。取R1=R2=20k，R0=5k；R3=R4=4k，R5=R6=10k；仿真效果如图所示。此处分配放大倍数为447。 图5.2.1 放大电路图 放大电路输入输出仿真波形5.3检波电路相比包络检波电路，相敏检波电路能检测出信号的相位，且能抑制

18、零点残余电压。考虑到成本问题和简易性问题，这里采用比较容易实现的开关式相敏检波电路。电路参数图如图5.3.1所示，参数计算如下:在UC=1的半周期，Q2导通，Q1截止。反向输入端通过R3接地，Ui从同向端输入，放大倍数为 K+=R5R1+R4+R5(1+R6R3) （2-9）在UC=0的半周期，Q1导通，Q2截止。同向输入端通过R1接地，Ui从反向端输入，放大倍数为 K-=R6R1+R3 （2-10）考虑到提高输入阻抗，取R1=R2=R3=R4=R5=R62=15k。则正半周期放大倍数为1倍，负半周期放大倍数为-1倍，则实现了Uo=|Ui|。仿真效果如图所示电路图如图所示。图5.3.1相敏检波

19、电路 图5.3.2 检波电路仿真结果5.4低通滤波电路由于一阶滤波器的滤波效果有限，此处采用巴特沃斯逼近的无限增益多路反馈型二阶有源滤波器。此种逼近方式在保持幅频特性单调变化的前提下，通带内最为平坦；此种滤波器稳定性相对比较高，但是对集成芯片的要求也比较高，电路图如图5.4.1所示。最终计算的理论参数：C1=0.2F；C2=1F；R1= 7.7775k；R2=10.18 k；R3= 7.7775k；选取标称值，取R1= 7.87k；R2=10.2 k；R3= 7.87k；仿真效果图如图所示，此处用运放做微弱信号放大，应选用失调和噪声系数均很小的运放，如 ICL7650 图5.4.1 低通滤波电

20、路图5.4.2 仿真效果图5.5直流放大电路经过上述变化，此时的信号已经为直流信号。此处选用改良的二级反相放大电路，即增加了输入阻抗，又使得电路稳定。采用可调的电阻，方便调整。电路图如图5.5.1所示，计算过程如下：由深度负反馈可算得： Uo=R24R20(1+R22R23)Ui； （5-14）为了方便调整，这里采用R24为可调电阻。经过仿真的调试，最后仿真效果如图所示。图5.5.1 放大电路图5.5.2 仿真结果6.ADC转换模块用一个模数转换芯片将低通滤波后输出的电压值转换为数字量并用液晶屏显示出来。因为测量值为100MPa时输入的供桥电压为10V,要使在液晶屏上显示的值直接为测量值即压强

21、而不是最后输出电压，只需要扩大十倍。显示电路仿真如图6所示。 图6 显示电路仿真7.误差分析 误差来源主要有两个方面，一个是电阻应变片引起的误差，一个是电桥的非线性引起的误差。电阻应变片引起的误差主要是温度误差，造成应变片温度误差的原因有两个，一是应变片的敏感栅具有一定的温度系数，二是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。沿筒长方向的R2、R3做温度补偿用。采用差动电桥电路时，由于应变片相同，那么它们引起的电阻的变化量相同，根据前面电桥电路的分析中的输出表达式，则温度变化引起的输出为零，所以差动电桥可以消除温度变化对输出的影响，也即采用桥路补偿法可解决温度误差。 由公式计算可知，只有当R/R&

22、lt;<1时，电桥输出和输入才近似为线性关系。对于对称电桥n=1时非线性误差约为R/(2R)。同样，采用差动电桥可以减小或消除电桥的非线性误差。还有一些如工频等的干扰，主要通过优化电路来解决，比如采用高共模抑制比的仪用放大器、无限增益多路反馈二阶低通滤波电路等。8.总结本次课程设计得到了很多锻炼也收获了许多之前没有掌握的知识。很多东西都是一开始以为就是那样，很简单，整体思路很容易理清楚，但是真正着手每一个具体部分时才发现，原来有这么多的细节并且都不是很容易就能弄清楚，越查资料发现自己越不知道该怎么做了。从根据所需去查资料，再到把新旧知识融合理解运用到真正设计中，这真是一个很难也会很有收获的过程。网上查资料发现很多资料都是英文尤其是各种芯片的具体介绍，顿觉自己英文水平太低，以后要多加学习，不然很多资料都看不了。通过课设才发现自己课上所学的以及考试所知道的东西真的有点肤浅。查了不少资料也翻了许多遍传感器和测控电路的课本，有些终于弄懂了，有些仍然不