基于应变片传感器的压力测量

“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
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 (4)
2.2 市场上的同类产品 (5)
第3章具体方案设计与分析 (6)
3.1 温度补偿电路 (6)
3.2 测量电路 (7)
3.3 系统总图 (8)
参考文献 (8)
一、 应变片传感器综述
1.1应变片传感器简介
压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及膜片电极式压力传感器等。

但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。

根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。

而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。

一般均为几十欧至几十千欧左右。

1.2应变片传感器的工作原理
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。

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形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。

金属导体的电阻值可用下式表示：
S
L R ρ= 式中： ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m ）
S ——导体的截面积（cm2）
L ——导体的长度（m ）
以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。

当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。

只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

电阻应变片的基本结构
电阻应变片主要由四部分组成。

如上图所示, 电阻丝是应变片敏感元件; 基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用, 并使电阻丝和被测试件之间绝缘; 引出线用以连接测量导线。

二、传感器的选用
2.1几种传感器及外围电路的比较
一般的应变片传感器是把应半片贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小，而弹性元件的应变大小可以通过应变片电阻大小的变化量来求得。

根据弹性体的结构形式的不同可分为：轮辐式，梁式，环式，柱式等。

在测量拉/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，如下所示。

（a 是实心，b是空心）
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/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，如下图所示。

一般电桥的输出电压为
))((43213241i o R R R R R R R R U U ++-= 两臂差动电桥电路的电压输出为
)
)(()(432211322411i o R R R R R R R R R R R R U U +∆++∆+∆+-∆+=）（… 设初始时R R R R R ====4321,工作时一片受拉一片受压，即R R R ∆=∆-=∆21,则可以简化为
εK =∆⋅=2
2i i o U R R U U 差动电桥电压灵敏度为
2
i U U =K 同理若采用四臂电桥，如上图所示并设初始时R R R R R ====4321，工作时R R R R R ∆=∆-=∆=∆=∆2341时，输出为
i i o U U R
R U εK =∆= 四臂电桥的电压灵敏度为i U U =K 通过比较其电压灵敏度知四臂电桥（全桥）电路的灵敏度高，故选用四臂电桥电路。

经网上查找，选用350欧 BF350高精度应变片。

价格便宜。

基底尺寸：7.3*4.2mm,丝栅尺寸：3*3.1mm.
2.2 市场上的同类产品
市场上符合设计要求的同类应变片传感器产品较多，这里主要介绍章和电气的JSG系列应变片.
JSG系列应变片具有如下优点：
1．高灵敏度，电阻值稳定
2．尺寸小，重量轻
3．横向效应小，粘结面积大
4．粘贴牢固，散热性好
5．结构简单，使用方便
6．适应性强
7、便于多点测量
8、品种多，工艺较成熟
三、具体方案设计与分析
3.1 温度补偿电路
电阻片是金属材料制成的, 它的阻值随温度的变化也要产生变化。

另外由于试件和电阻片材料的线膨胀系数不同, 从而也会使电阻片的阻值发
生变化。

温度变化引起的电阻值变化是客观存在的, 但不希望在测量结果中反映出来。

利用电桥的加减特性来消除由温度变化引起的电阻变化。

在电桥的 AB 臂接入感受机械应变的电阻片, 即工作片; 电阻片电阻变化中包含两个部分, 一部分是由于应变引起的电阻变化εR ∆, 另一部分是由于温度变化引起的电阻变化t R ∆, 如下图所示。

设电阻片的起始电阻为 R, 当它感受应变并伴随有温度变化时, 它的电阻 R 由变为R +εR ∆+t R ∆。

温度补偿电路
在电桥的 BC 臂接入一个同样的电阻片, 其起始阻值也为 R, 将此电阻片贴在与构件同样的材料上, 但它不感受应变。

要求第 2枚电阻片与工作片处于同样的环境温度中, 它因温度变化引起的电阻变化t R ∆与工作片因温度变化引起的电阻变化t R ∆相同, 称为温度补偿片。

这时电桥的输出电压变化量为 R R A R R -R R R U t t 0εε∆=⎪⎭⎫ ⎝
⎛∆∆+∆= 式中 A 为比例常数, 只与供桥电压和桥臂比有关。

这样, 电桥的输出
电压仅与应变引起的电阻变化率成正比, 与温度变化引起的电阻变化R
R t ∆无关, 起到了温度补偿的作用。

3.2 测量电路
应变片与测量电路之间需要用导线连接, 由于导线本身存在一定的电阻, 而且它和电阻片是串联在测量电路的桥臂上, 所以导线的电阻也是桥臂电阻的一部分, 但它本身不参加变形。

若不考虑导线电阻的影响, 测量结果存在一定的误差。

为了提高测量精度,有必要对导线电阻引起的误差进行修正。

根据以上分析, 采用直流电桥, 运用三线制电阻应变测量技术,设计应变测量电路如下图所示。

桥式测量电图
其中, N ＩＵ为供桥电压;3R , 4R 为固定桥臂电阻;1g R 为工作应变片;2g R 为补偿应变片; 1w R , 2R w , 3w R 为导线电阻; 1t R 为并联电阻; 2t R 为调零电位器; 0U 为桥路输出电压。

应变片与测量电路间采用三芯屏蔽线连接, 取3根导线长度相等, 易保证: 1w R = 2R w =3w R ,记作w R 。

又1g R =2g R 记作g R ,所以1g R +1w R =2g R +2R w 。

通过调整2t R , 保证3R 4R =1w R +1g R 2R w +2g R = 1, 达到调零的目的, 同时使得电桥电压灵敏度最高。

ADC 外围电路设计
3.3 系统总图
应变片传感器测量压力系统框图如下所示，被测对象的压力引起应变片传感器与被测对象间电阻的变化，通过测量单元拾取该电阻变化量传输给单片机，进行数据处理及转换，根据用户要求进行显示。

应变片传感器测量压力系统框图
四、参考文献
[1]梁立凯. 电阻应变片测量中温度为误差的补偿方法[J]. 呼伦贝尔学院学报, 2001.
[2]孙宇宁. 应变式测力传感器的非线性误差及其校正[J]. 传感器技术, 2006.
[3]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004
[4]李艳,李新娥,裴东兴.应变式压力传感器及其应用电路设计.计量与测试技术.2007。