基于應變電阻的柱式壓力傳感器2008122420081128前言傳感器技術在當代科技領域占有十分重要的地位。所謂傳感器就是能夠規定的被測量并按一定規律轉換成可用于輸出信號的器件或裝置。傳感器的種類很多，其中的電阻應變式傳感器就是應用及其廣泛的一種。

電阻應變式傳感器具有悠久的歷史。將電阻應變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可構成測量位移、力、力矩、壓力等各種參數的電阻應變式傳感。電阻應變式傳感器具有以下很多優點：1.結構簡單，使用方便，性能穩定、可靠；2.易于實現測試過程自動化合多點同步測量、遠距離測量和遙測；3.靈敏度高，測量速度快，適合靜態、動態測量；4.可以測量多種物理量。

電阻應變式傳感器的結構和工作原理很簡單。電阻應變式式傳感器由彈性敏感元件與電阻應變片構成。彈性元件在感受被測量時將產生變形，其表面產生應變。而粘貼在敏感元件表面的電阻應變片將隨著彈性敏感元件產生變形，因此電阻應變片的電阻值也產生相應的變化。這樣，測量電阻應變片的電阻值變化就可以確定被測量的大小了。傳感器的工作原理

電阻應變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應變片構成。彈性敏感元件在感受被測量時將產生變形，其表面產生應變。而粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應變片將隨著彈性敏感元件產生應變，因此電阻應變片的電阻值也產生相應的變化。這樣，通過測量電阻應變片的電阻值變化，就可以確定被測量的大小了。彈性敏感元件的作用就是傳感器組成中的敏感元件，要根據被測參數來設計或選擇它的結構形式。電阻應變片的作用就是傳感器中的轉換元件，是電阻應變片傳感器的核心元件。

柱式力傳感器原理圖

梁式力傳感器原理圖

方案選擇類型負載能力精度線性度工藝性體積輪輻式大高好較復雜較小梁式小高較好簡單小環式較大高好較復雜小柱式大較高較好簡單大結論：對以上各種形式的傳感器進行比較，由于柱式傳感器具有負載能力大，精度較高，加工工藝簡單，線性度較好等特點，本設計選用柱式傳感器作為設計制作元件。設計流程1.選擇構造形式，確定貼片數量、位置及接橋線路2.選材：敏感原件

彈性原件柱形應變式力傳感器設計原理

柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。最大量程可達10。在載荷較小時(1～100kN)，為便于粘貼應變片和減小由于載荷偏心或側向分力引起的彎曲影響，同時為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個應變片粘貼的位置和方向應保證其中兩片感受縱向應變，另外兩片感受橫向應變(因為縱向應變與橫向應變是互為反向變化的)，如圖所示。在實際測量中，被測力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線之間成一微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測量精度。有三種應力被應用于稱重傳感器的設計中，即拉伸與壓縮應力，彎曲應力和剪切應力。電阻應變片的結構和工作原理電阻式傳感器的工作原理是將被測的非電量轉換成電阻值，通過測量此電阻值達到測量非電量的目的。這類傳感器大致分為兩類：電阻應變式和電位計式。利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數。壓力傳感器是將壓力這個物理量轉換成電信號的一種電阻應變式傳感器。傳統的電阻應變式壓力傳感器是一種由敏感柵和彈性敏感元件組合起來的傳感器。如圖7所示，將應變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當彈性敏感元件受到外施壓力作用時，彈性敏感元件將產生應變，電阻應變片將它們轉換成電阻變化，再通過電橋電路及補償電路輸出電信號。它是目前應用較多的壓力傳感器之一，因具有結構簡單、使用方便、測量速度快等特點而廣泛應用于航空、機械、電力、化工、建筑、醫學等諸多領域。電阻應變敏感元件的設計電阻應變敏感元件的設計應變片材料的選擇（1）靈敏系數和電阻率要盡可能高而穩定，電阻率與機械應變之間應該具有良好而寬廣的線性關系；（2）電阻溫度系數要小，電阻—溫度間的線性關系和重復性好；（3）機械強度高，輾壓及焊接性能好，與其他金屬之間接觸熱電勢小；（4）抗氧化、耐腐蝕性能強、無明顯機械滯后。制作應變片敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鎳鉻合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，本設計選擇康銅箔片作為敏感柵材料。康銅這種材料容易得到，價格便宜，其電阻溫度系數較小。電阻應變敏感元件的設計應變片基底材料基底的作用是固定應變計的敏感柵，使它保持一定的幾何形狀，并使電阻敏感柵與彈性元件相互絕緣。所以它是電阻應變計的重要組成部分。應變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙類逐漸被膠基（有機聚合物）取代，因為膠基各方面性能都好于紙基。膠基是由環氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膜，厚約0.03—0.05mm.對基底材料性能的要求有如下要求：（1）機械強度高，撓性好；（2）粘貼性能好；（3）電絕緣性能好；（4）熱穩定性好和抗濕性好；（5）無滯后和蠕變。所以可以選用玻璃纖維布作為基底材料。電阻應變敏感元件的設計粘合劑電阻應變片工作時總是被粘貼在試件或傳感器的彈性元件上。在測試被測量時粘合劑所形成的膠層起著非常重要的作用，它應準確無誤地將試件或彈性元件的應變傳遞到應變片的敏感柵上去。所以粘合劑與粘貼技術對于測量結果有直接作用粘合劑的要求有： （1）有一定的粘結強度； （2）能準確傳遞應變； （3）蠕變小； （4）機械滯后小； （5）耐疲勞、性能好 （6）長期穩定性好； （7）能夠足夠的穩定性能； （8）對彈性元件和應變片不產生化學腐蝕作用 （9）有適當的貯存期 （10）有較大的使用溫度范圍。電阻應變敏感元件的設計應變極限對于已安裝好的應變計，在一定溫度下，指示應變與被測試件真實應變的相對誤差不超過一定值（一般為10%)時，所能測量的最大真實應變值稱為應變極限。我們要求應變片的應變極限至少要大于1000×10-6。影響應變極限的主要因素是粘結劑和基底材料傳遞變形的能力，以及應變片的安裝質量。為了減小此影響，應選用抗剪強度較高的粘結劑和基底材料，以及合理的粘貼安裝。基底和粘結劑的厚度不要太大，并應適當地進行固化處理，才能獲得較高的應變極限。而工作溫度的升高會使應變極限下降。電阻應變敏感元件的設計應變片的電阻值是指未安裝的應變片，在不同的外力作用下，在室溫條件下測定的電阻值，也稱為原始電阻值。應變片電阻值國內標準有：60、120、350、600和1000等各種阻值，目前傳感器生產中大多數選用120Ω或350Ω的應變片，但是由于大阻值應變片具有通過電流小、自熱引起的溫升低、持續工作時間長、動態測量信噪比高等優點，并且大阻值應變片可以減小應變焦耳熱引起的零漂，提高傳感器長期使用的穩定性。因此，在不考慮價格因素的前提下，使用大阻值應變片，對提高傳感器精度是有益的。我們選用電阻值為120的應變片。彈性元件的設計彈性元件材料選擇彈性敏感元件在傳感器中因為直接參與變換和測量，所以對它有一定要求。在任何情況下，它應該保證有良好的彈性特性，足夠的精度和穩定性，在長時間中使用和溫度變化時都應該保持穩定的性能。因此對材料的基本要求是：（1）彈性滯后和彈性后效小；（2）彈性模數和溫度系數要小；（3）線膨脹系數要小且穩定；（4）彈性極限和強度極限要高；（5）具有良好的穩定性和耐腐蝕性；（6）具有良好的機械加工性能和熱處理性能。參數計算在負載在實驗報告中彈性元件的選取彈性元件的材料應具有高強度、高彈性極限、低彈性模量、穩定的物理性質及良好的機械加工和熱處理性能。由于是簡易制作故開始時選擇鋁制易拉罐作為彈性元件，后從實驗中得知其強度過低故改用鐵制易拉罐代替電橋的設計根據選擇的傳感器彈性元件的形狀選擇的電橋為單臂電橋各橋臂應變為：則讀數應變應為：即橋臂系數為-2(1+).可見此種接線方法可以消除偏壓產生的影響。所需材料及設備1.彈性元件：雀巢咖啡罐（鐵制），外徑D=52.760mm，內徑d=52.160mm，厚t=0.600mm，高H=103.980mm，泊松比。2.貼片時所用的材料：502膠水、螺絲刀、鑷子