电阻应变片式压力传感器1 (1)

与现有液位传感器的比较

现在的液位传感器主要分为两种 一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器， 浮球式液位变送器等。 第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位 变送器等。 我们设计的传感器属于第一类，根据浮力原理，利用微 小的金属应变传感技术来测量液体的液位。 目前研发的液位传感器如光电液位传感器利用光在两种 不同介质界面发生反射折射原理而开发的新型接触式点 液位测控装置。。



光电传感器
超声波液位传感器

与此相比我们的传感器具有结构简单，定位精度 较高，不需调试，灵敏度较高，耗电少，体积小 等诸多优点。
较之不足的就是定位精度稳定性与市场成熟的传 感器还有差距

设计初衷：

随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到 各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机 的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成 为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗 等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制。
8、价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。


液位传感器有以下特点： 1、安装方便、结构简单、经济耐用。 2、采用三级防 雷设计，抗雷击效果好。 3、满度、零位长期稳定性可达0.１%FS/年。在补偿温 度0～70℃范围内，温度飘移低于0.１%FS，在整个允许 工作温度范围内低于0.３%FS。
式中：K为应变片灵敏系数；g 为试件线膨胀系数；s 为应变片敏感栅 材料线膨胀系数。 因此由于温度变化引起的总电阻相对变化为：
R R R t K g s t R t R t1 R t 2
通常，在常温应变测量中采用桥路补偿法，
传感器简图：
灵敏度与误差分析：

误差来源
电阻应变片引起的误差 用应变片测量时，由于环境温度所引起的电阻变化与试 件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产 生很大的测量误差。 造成应变片温度误差的原因主要有 两个：
（1）应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；
（2）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。
l R S

如上图所示，电阻丝在拉力F作用下，长度l增加，截面S减少，电阻 率也相应变化，将引起电阻变化 R 其值
R l S R l S
对于半径为r的电阻丝，截面积S=r2，则有
S
S
2 r
r
令电阻丝的轴向应变为
l l
径向应变
r l r l
R K R
桥式电路的选择：

常见桥式电路：
R1R4 R2 R3 R1 R2 R3 R4
一般电桥的输出电压为
U 0 Ui
如图两臂差动电桥电路的电压输出为
R1 R1 R4 R2 R2 R3 U 0 Ui ... R1 R1 R2 R2 R3 R4 设初始时

本设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性 元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定 力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化 可以通过后续的处理电路求得。
设计初衷：

随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到 各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机 的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成 为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗 等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制。

4、液位传感器适合多点压力参数组网采集，总线支持 255台设备。可同时具备：4-20mA输出和RS485通讯功能 ，输出电流分辨率优于3uA。
5、智能信号处理技术，精度高、稳定性好，抗干扰性 能强。 6、固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。 具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不 会损坏变送器
如图所示，这种方法简单，经济， 补偿效果好。
电桥非线性误差：

实际电桥电压与应变片的电阻相对变化为非 线性关系，如式所示，当电阻变化量很小至 可以忽略不计，或则远小于1时，电桥电压 与电阻相对变化可以认为是线性的.
2 3 R R R R R R L 1 R 2R R R R 2 2R R


由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得
R 1 2 R


通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其 表达式为 R R 1 2 K 从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材 料的几何尺寸受力引起
对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱， 并且使用时间长了会非线性度误差会增大， 故还需要增加调零电路

应变片式的特点

应变式传感器具有很多特点： 1、分辨力高，能测出极微小的应变，如1-2微应变； 2、误差较小，一般小于1%； 3、尺），最大可达20%；
R1 R2 R3 R4 R
则式可以简化为工作时一片受拉一片受压，即
R1 R2 R
工作时
U i R U i U0 K 2 R 2
差动电桥电压灵敏度为 Ui KU 2 同理若采用四臂电桥，如图所示并设初始时
R1 R2 R3 R4 R
输出为
5、既可测静态，也可测快速交变应力；


6、具有电气测量的一切优点，如测量结果便于传送、 记录和处理；

7、能在各种严酷环境中工作。如从宇宙真空至数千个 大气压；从接近绝对零度低温至近1000℃高温；离心加 速度可达数十万个“g”；在振动、磁场、放射性、化学 腐蚀等条件下，只要采取适当措施，亦能可靠地工作；
U0 Ui R U i K R
四臂电桥的电压灵敏度为
KU Ui
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
传感器简图：

总体结构设计：应变片，放大器，转换开关，A/D转换器，单片机， 接口电路，该电路一下该电路由三部分组成：
（1）电源电路部分；（2）电桥电路部分；（3）放大电路部分
(1 2 )

由材料电阻率变化引起的
( ) 1


对于金属材料 ( ) 1 项的值比 (1 2 ) 小很多，可以忽略， 所以 K 1 2 大量实验证明， 在电阻丝拉伸比例极限内，电阻 的相对变化与应变对于金属丝材料成正比，即为常数。通常金属丝 的=1.7-3,6。可写成
R
电路灵敏度

电路灵敏度为应变片灵敏度，桥路灵敏度，三运放电路 增益以及滤波电路增益之积，即
K KS KU A1 K P
取
K S 2.0
即得
R R8 R13 R18 K 2.0 1 1 7 1 U R0 R9 R17
特点及缺点：

应变片式压力传感器的特点是 灵敏度系数高，K=30~175（而电阻丝其数值 约在1.6~3.6之间）
横向效应小（应变片的核心部分是敏感栅。将 电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但其 直线段和圆弧段的应变状态不同，其灵敏系 数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，该现象称 为横向效应。）

缺点是

本设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性 元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定 力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化 可以通过后续的处理电路求得。
工作原理：

电阻应变式传感器为本设计的主要部件，传 感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化 为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原 理得到一定大小的输出电压，通过电路输出电 压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模 型，在显示表头中将电压（V）改为质量（kg） 即可实现对物品质量的称重。
流程图：

应变效应：

应变片检测原理 电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的 弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这 个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来 测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。设一根电阻丝， 电阻率为，长度为, l,截面积为S，在未受力时的电阻值为
设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，粘贴在 试件表面的应变片敏 感栅材料的电阻温度系数为α ，则应变片产生的电阻相对变化为
R t R t 1
由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt 存在时，引 起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为
R K g s t R t 2