电阻应变片的压力传感器设计

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

二〇一七年六月十日

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

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：

ρ

ρ

∆+∆-∆=∆S S l l R R （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 )

()ερ

ρμ021k l l R R =∆++∆=∆ （1-2） 式（1-2）中，k 0称为金属电阻的灵敏系数，k 0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k 0≈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k 0 = 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：

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