基于应变片传感器的压力测量

传感器与检测技术研究小论文 - I -

“传感器与检测技术”研究小论文

基于应变片传感器的压力测量

姓名： 李 班级： 2011 学号：

2014年 4 月 14 日

传感器与检测技术研究小论文

目录

第1章 应变片传感器综述 ................................................................................ 3 1.1 应变片传感器简介 ................................................................................... 3 1.2 应变片传感器的工作原理 ....................................................................... 3 第2章 传感器的选用 ........................................................................................ 4 2.1 几种传感器及外围电路的比较 ............................................................... 4 2.2 市场上的同类产品 ................................................................................... 5 第3章 具体方案设计与分析 ............................................................................ 6 3.1 温度补偿电路 ........................................................................................... 6 3.2 测量电路 ................................................................................................... 7 3.3 系统总图 ................................................................................................... 8 参考文献 .............................................................................................................. 8

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一、 应变片传感器综述 1.1应变片传感器简介

压力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及膜片电极式压力传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

1.2应变片传感器的工作原理

电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

R??L S 式中： ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）

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以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

电阻应变片的基本结构

电阻应变片主要由四部分组成。如上图所示, 电阻丝是应变片敏感元件; 基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用, 并使电阻丝和被测试件之间绝缘; 引出线用以连接测量导线。

二、 传感器的选用

2.1几种传感器及外围电路的比较

一般的应变片传感器是把应半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。根据弹性体的结构形式的不同可分为：轮辐式，梁式，环式，柱式等。在测量拉/压力上主要用到的是柱式传感器。柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种，如下所示。（a是实心，b是空心）

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。常用的有两臂差动电

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桥和全桥电路，如下图所示。

一般电桥的输出电压为

Uo?UiR1R4?R2R3(R1?R2)(R3?R4)

两臂差动电桥电路的电压输出为

Uo?Ui（R1??R1）R4?(R2??R2)R3…

(R1??R1?R2??R2)(R3?R4)设初始时R1?R2?R3?R4?R,工作时一片受拉一片受压，即

?R1???R2??R,则可以简化为

U?RUiUo?i????

2R2差动电桥电压灵敏度为

U?U?i

2同理若采用四臂电桥，如上图所示并设初始时R1?R2?R3?R4?R，工作时?R1??R4??R3???R2??R时，输出为

?RUo?Ui???Ui

R四臂电桥的电压灵敏度为?U?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。经网上查找，选用350欧 BF350高精度应变片。价格便宜。 基底尺寸：7.3*4.2mm,丝栅尺寸：3*3.1mm.

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