基于应变电阻的柱式压力传感器

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1、基于应变电阻的柱式压力传感器20081224邹欣宜20081128王晟楠前言传感器技术在当代科技领域占有十分重要的地位。所谓传感器就是能够规定的被测量并按一定规律转换成可用于输出信号的器件或装置。传感器的种类很多，其中的电阻应变式传感器就是应用及其广泛的一种。电阻应变式传感器具有悠久的历史。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感。电阻应变式传感器具有以下很多优点：1.结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；2.易于实现测试过程自动化合多点同步测量、远距离测量和遥测；3.灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；4.可以测量多种物理量。电阻应变

2、式传感器的结构和工作原理很简单。电阻应变式式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生变形，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，测量电阻应变片的电阻值变化就可以确定被测量的大小了。传感器的工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。弹性敏感元件的作用就是传

3、感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变片传感器的核心元件。柱式力传感器原理图梁式力传感器原理图传感器的组成结构其中：（1）敏感元件直接感受被测物理量，如在应变式传感器中为弹性元件；（2）传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件；（3）测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路，使用较多的是电桥电路。由于传感器元件输出的信号一般较小，大多数的测量电路还包括放大电路，有的还包括显示器，直接在传感器上显示出所测量的物理量；（4）辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。方

4、案选择类型负载能力精度线性度工艺性体积轮辐式大高好较复杂较小梁式小高较好简单小环式较大高好较复杂小柱式大较高较好简单大结论：对以上各种形式的传感器进行比较，由于柱式传感器具有负载能力大，精度较高，加工工艺简单，线性度较好等特点，本设计选用柱式传感器作为设计制作元件。设计流程1.选择构造形式，确定贴片数量、位置及接桥线路2.选材：敏感原件弹性原件柱形应变式力传感器设计原理柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形，用于测量较大的力。最大量程可达10。在载荷较小时(1～100kN)，为便于粘贴应变片和减小由于载荷偏心或侧向分力引起的弯曲影响，同时为了提高灵敏度，多采用空心柱体。四个应变片粘贴的位置和方向

5、应保证其中两片感受纵向应变，另外两片感受横向应变(因为纵向应变与横向应变是互为反向变化的)，如图所示。在实际测量中，被测力不可能正好沿着柱体的轴线作用，而总是与轴线之间成一微小的角度或微小的偏心，这就使得弹性柱体除了受纵向力作用外，还受到横向力和弯矩的作用，从而影响测量精度。有三种应力被应用于称重传感器的设计中，即拉伸与压缩应力，弯曲应力和剪切应力。构型图考虑到圆筒金属材料容易找，且受力合理，弹性元件采用空心柱式，贴八个应变计，贴在圆筒中部四等分圆周上，其中有四个轴向片和四个横向片，选取应变片粘贴位置时，要把应变片中的四片粘贴在最大正应变处，另四片放在负的最大应变处，这样可获得最大的灵敏度，圆

6、柱体轴向就是最大正应变处，圆柱体的环向即为最大负应变处，故应变片贴在圆筒中部四等分圆周上，贴片位置如图所示，接入串联全桥电路，电阻应变片的结构和工作原理电阻式传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器大致分为两类：电阻应变式和电位计式。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。压力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一种电阻应变式传感器。传统的电阻应变式压力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器。如图7所示，将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外施压力作用时，弹性敏感元件将产生应

7、变，电阻应变片将它们转换成电阻变化，再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。它是目前应用较多的压力传感器之一，因具有结构简单、使用方便、测量速度快等特点而广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等诸多领域。电阻应变敏感元件的设计电阻应变敏感元件的设计应变片材料的选择（1）灵敏系数和电阻率要尽可能高而稳定，电阻率与机械应变之间应该具有良好而宽广的线性关系；（2）电阻温度系数要小，电阻—温度间的线性关