压力传感器设计

电阻应变片的压力传感器设计

一、设计灵感来源：

前段时间在朋友的家里无意间发现了一个微型测重仪器，觉得挺方便、使用的，询问后才知道现在女生流行减肥，因此它的价值就在此体现出来了。刚好本学期我们开的一门专业课就是学习传感器的，趁着这个机会，我打算设计一个微型测重仪器；同时，也能使自己的理论知识得以实践。

二、设计原理：

利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。（应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得）这就是所谓的“应变效应”。

三、设计整体框图及简单说明：

(1)传感器感受到被测量；

（2）由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；（3）由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波（4）由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压，故需要设计共模抑制电路。

（5）考虑到长期使用时可能造成误差情况，故要设计调零电路。

（6）信号通过数模转换电路，最后经过显示电路显示出数字。

四、材料选择及分析：

本次设计只要的目的是用于测量人的体重，需采用具备测量精度较高、动态响应好、使用简单、体积小等优点的的传感器，因此根据自己的知识储备，我选择了柱式力传感器。柱式力传感器的弹性元件选用实心柱，应变片的灵敏度为K，4片特性相同的应变片对称的贴在圆通外表面，如下图，并将4片应变片接成四臂差动电桥（全桥）形式。因为这种连接方式可提高检测灵敏度和温度稳定性，最大测力量程可达10000000N。

五、应变片具体计算

本次传感器课程设计选用应变式拉压传感器，只要把应变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。

六、、具体方案比较

1、在测量拉、压力上主要用到的是柱式传感器。

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。常用的是两臂差动电桥

和全桥电路，

2、电路转换部分

（1）一般电桥（平衡电桥）的输出电压为

))((43213241i o R R R R R R R R U U ++-=

平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比

相等方可是流过负载电阻的电流为0

电压灵敏度：如果在实际测量中，使第一桥臂R1由应变片来代替，微

小的应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小的变化。一般需要加入放大器放大。 4i U U =K

电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压越高，电桥电压灵敏度越高，但是供桥电压的提高，受到应变片允许的功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择。

(2)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,则式（3-11）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 由此可知：比使用一只应变片提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用

（3）采用四臂电桥

如图所示并设初始时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

由此可知：比用单片提高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。

由此可知：比用单片提高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。

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。

七、测量电路的设计与计算

1、电桥电路的设计与计算

依照课程设计中的方案选择知使用的电桥为全桥电路。在实际测量中，

作用力不可能正好通过柱体

的中心轴线，所以这样的柱体

弹性元件除了受到拉（压）外，

还受到横向力和弯矩。通过图

5.1所示应变片的粘贴、连接

方法可以减小这种影响。 图

5.1 应变片的粘贴和连接方法

图中各应变片上的应变分别为

t 4411''εεεεεε+====

t 3322''εμεεεεε+-====

式中：t ε为温度引起的虚假应变。

根据桥式电路输出为 i t i o 1]2121[144U U U εμεεμεμK +≈+-++K =）（）（）（ （5-1）

电桥电压灵敏度为

i 1U U ）（μ+=K （5-2）

电路设计中，应变片的连接如右图所示，对应图所示的应变片接法。所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。

此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV的不平衡输出，并且放大器有输入失调电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调整。通过改变电位器的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U0=0V，为了保证足够的调整精度，在整体电路中可以使用电多圈电位器，具体的电多圈电位器

如下。

八、误差来源与精度分析

1、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：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。

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