电阻应变片的压力传感器设计要点(共13页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上湖 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 日专心-专注-专业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。关键词:圆柱式、应变片、称
2、重、形变目录一、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 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,
3、伸长量l,电阻率变化量,横截面积相应减少量S;则有: (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) (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
4、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。 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H2D+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
5、大可达107N。在测103 105N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
6、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QBe17-4PH不锈钢恒弹性合金3J53密度g/ cm38.257.808.0屈服极限MPa103018501250弹性模量MPa13410319510370103线膨胀系数at /10-6-117.610.87.5-8.1泊松比0.320.2720.30机械品质因数1000弹性模量温度系数3510-5/表1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
7、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17-4PH不锈钢进行H900热工艺处理:1、预热,加热温度:85010,保温时间:355min。2、固溶,加热温度:10405,保温时间:805min;真空度:130Pa;油冷,油温:2570,油中停留时间:102min。3、清洗,将零件浸入80100的清洗槽中清洗2030min,出槽后浸入2040的漂洗槽中漂洗25min,出槽后晾干或吹干。4、时效,加热温度:4805,保温时间:25010min,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
8、金属丝式应变片有回线式和短接式两种。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是
9、: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
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