电阻应变片的压力传感器设计要点.pdf
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1、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 指导教师杨书仪凌启辉 二一七年 六 月 十 日 湖南科技大学本科生课程设计 - - i 摘要 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。
2、 关键词:圆柱式、应变片、称重、形变 湖南科技大学本科生课程设计 - - ii 目录 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 湖南科技大学本科生课程设计 - 1 - 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
3、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 R,伸长量 l ,电阻率变化量 ,横截面积相应 减少量 S;则有: S S l l R R (1-1) 式中的 l /l为电阻式的轴向应变,用表示,径向应变为 r/r ,电阻丝 的纵向伸长和横向收缩关系用泊松比表示为r/r=-( L/L) 0 21k l l R R (1-2) 式(1-2)中,k0称为金属电阻的灵敏系数, k0受两个因素影响: 一个是(1+2 ) ,它由材料的几何尺寸决定;另一个是/( ),它表示材料的电阻率 随应变而变化。对金属材料而言,前者为
4、主,其k01+2。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 k0 = 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: 精度高,测量范围广,适合静态和动态测量; 使用寿命长,性能可靠稳定; 结构简单,尺寸小。 湖南科技大学本科生课程设计 - 2 - 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
5、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HD-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 10 5N 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
6、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: 具有高强度、高弹性特性; 温度变化系数小、热膨胀系数小、时间稳定性好; 具有小的弹性滞后 ; 组织均匀,热处理后的残存应力小; 冲击韧性好,加工工艺性好; 具有抗氧化性。 参照新编传感器手册得下表: 材料铍青铜 QBe 17-4PH 不锈钢恒弹性合金 3J53 密度 g/ cm 3 8.25 7.80 8.0 屈服极限 MPa 1030 1850 1
7、250 弹性模量 MPa 13410 3 19510 3 7010 3 线膨胀系数 at / 10 -6 -117.6 10.8 7.5-8.1 泊松比0.32 0.272 0.30 机械品质因数1000 弹性模量温度系 数 3510 -5/ 表 1 湖南科技大学本科生课程设计 - 3 - 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
8、-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: 130Pa ;油冷, 油温: 2570,油中停留时间: 10 2min。 3、清洗,将零件浸入 80100的清洗槽中清洗2030min,出槽后浸入 20 40的漂洗槽中漂洗25min,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
9、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 0.10.3mm, 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0.150.30mm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
10、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: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;与被测试件接触面积大,粘结性能好。散 湖南科技大学本科生课程设计 - 4 - 热条件好,允许电流大,提高输出灵敏度;横向效应可以忽略;蠕变、机械 滞后下,疲劳寿命
11、长。 目前箔式应变片得到了广泛应用,现在已基本取代金属丝 电阻应变片。它的主要缺点是电阻值的分散性大,有的能相差几十欧姆,故需要 做阻值调整。 3、金属薄膜应变片 金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方 法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m 以下的金属电阻材料薄膜敏感栅,最后 再加上保护层,易实现工业化批量生产,是一种很有前途的新型应变片。 这种应变片的特点是: 电阻值比箔式应变片高, 形状和尺寸箔式应变片更小 更精确;他没有箔式应变片腐蚀所引入疵病;制成的结构散热性好, 对于较宽的 温度范围也可以达到较完善的补偿;特别是近年激光调阻技术的发展,提高了电 阻值的精度
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