提高應(yīng)變式壓力傳感器的性能研究

提 要：壓力傳感器是比較常見(jiàn)的測(cè)力傳感器之一，但傳感器的性能包括靈敏度和精度等也都不盡相同，文章闡述了提高傳感器性能的有效方法。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器；應(yīng)變片；輪輻；切應(yīng)力

壓力傳感器的種類(lèi)很多，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用也較為廣泛，可以適用于各種工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，石油石化、水利水電、鐵路公路、油井、船舶，核電管道等眾多行業(yè)，應(yīng)用原理也有區(qū)別，有壓磁式的，有壓電式的，但最常見(jiàn)也是最穩(wěn)定的還是應(yīng)變片式的壓力傳感器。

1 電阻應(yīng)變式壓力傳感器機(jī)構(gòu)及測(cè)量電路

電阻應(yīng)變片是由基底、敏感柵及引線(xiàn)組成，黏貼在被測(cè)點(diǎn)的位置上，由敏感柵感應(yīng)被測(cè)點(diǎn)壓力的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為敏感柵上電阻阻值的改變，通過(guò)搭建電橋，轉(zhuǎn)化為電壓的變化。電阻應(yīng)變片制作精巧，安裝簡(jiǎn)單方便，能夠在種種惡劣的條件下工作。此種電測(cè)方法具有線(xiàn)性特性好、靈敏度高、大大地提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

敏感元件的選擇也決定了壓力傳感器的性能好壞，廣泛使用的彈性敏感元件一般有圓柱式、圓環(huán)式、等截面或等強(qiáng)度懸臂梁式，實(shí)際根據(jù)我們?cè)跈C(jī)械壓力測(cè)試中的使用環(huán)境及測(cè)試規(guī)程，最常用的就是柱式彈性敏感元件。

電阻應(yīng)變片通過(guò)基底上引線(xiàn)搭建的電路可以分為單臂式電橋，差動(dòng)式半橋及差動(dòng)式全橋電路，其中差動(dòng)全橋可提高電橋的靈敏度，消除電橋的非線(xiàn)性誤差，還可消除溫度誤差等共模干擾[1]。為了提高測(cè)量的靈敏度及減小測(cè)量的非線(xiàn)性誤差，常用的是由4片應(yīng)變片搭建的差動(dòng)式全橋電路，而且也必須通過(guò)對(duì)被測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分析來(lái)合理安排4片應(yīng)變片的安裝位置，確保獲得最高的測(cè)量精度。

如圖1所示，差動(dòng)式全橋測(cè)量電路中，其中電阻應(yīng)變片R1和R4沿著圓柱體的軸向中心位置呈相對(duì)安裝，另外兩片電阻應(yīng)變片R2和R3沿著圓柱體的徑向中心位置亦呈相對(duì)安裝，為了焊線(xiàn)的方便，同側(cè)的軸向與徑向的安裝位置應(yīng)該盡量保持緊湊。這種黏貼方式能夠確保在相同的壓力作用下，4片電阻應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生最大的應(yīng)變值，測(cè)量電路的靈敏度最大。例如，在壓力機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)中，當(dāng)壓力作用在彈性敏感元件上，通過(guò)有限元軟件Ansys分析可知，在軸向中心位置為正向應(yīng)力最大值，相反在徑向中心位置為負(fù)向應(yīng)力最大值。如圖2可知，輸出電壓可由下式得到：

Uo=■KUi？著P（1+？滋）

2 改變應(yīng)變片布置提高靈敏度

在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)圖1應(yīng)變片的黏貼位置可能會(huì)因?yàn)樽饔昧Φ钠挠绊懚档蜏y(cè)量電路的靈敏度，因此應(yīng)該盡量多地黏貼電阻應(yīng)變片來(lái)提高整體測(cè)量的靈敏度，在極限狀態(tài)下可提高靈敏度一倍左右。但是由于安裝條件的限制不能無(wú)限制地增加應(yīng)變片的數(shù)量，一般采用8片相同的應(yīng)變片，其中4片應(yīng)變片沿著軸向進(jìn)行黏貼，以減小彎矩影響，另外4片沿著徑向進(jìn)行黏貼，做溫度補(bǔ)償用[2]。貼片在圓柱面上的黏貼位置及其在橋路中的連接如圖3所示。

在8片應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電路中，相對(duì)于4片電阻應(yīng)變片組成的全橋電路增加了抗偏載能力，提高了傳感器的靈敏度及精度。

3 采用輪輻結(jié)構(gòu)提高精度

改變彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)也可以提高壓力傳感器的靈敏度及減小非線(xiàn)性誤差帶來(lái)的影響，輪輻立體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

輪輻式彈性元件主要由三部分組成：輪轂、輪圈、輪輻條，輪轂是一個(gè)實(shí)心圓柱體，用來(lái)感受外力的作用，圓柱體的直徑根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件決定，圓柱體的高度一般為直徑的2倍。輪圈起到固定安裝傳感器的作用，整個(gè)輪輻結(jié)構(gòu)的核心元件是輪輻條，合理設(shè)計(jì)輪輻結(jié)構(gòu)是采用四根輪輻條，成對(duì)且對(duì)稱(chēng)地連接輪圈與輪轂。通過(guò)上述分析，為了提高靈敏度，抗偏載能力，采用8片電阻應(yīng)變片且成對(duì)安裝在輻條中心成45°方向的位置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及ansys軟件分析，當(dāng)輪轂的上端面有力作用時(shí)，每條輪輻條就會(huì)產(chǎn)生微小形變，與外作用力P呈正比例的切應(yīng)變，其值等于與彈性元件呈45°方向的主應(yīng)力值，此時(shí)通過(guò)電阻應(yīng)變片直接可測(cè)得切應(yīng)力值。

如圖5所示，8片電阻應(yīng)變片搭建差動(dòng)式全橋測(cè)量電路。在工作中，輪轂上端面有一定的沖擊壓力時(shí)，電阻應(yīng)變片沿輻條的對(duì)角線(xiàn)縮短方向受壓，電阻值減小，反之延長(zhǎng)方向，電阻值增加，電路輸出電壓與作用力成線(xiàn)性特性。

如圖6所示，在P作用下，欲使其產(chǎn)生切應(yīng)力，輪轂和輪圈應(yīng)為剛性結(jié)構(gòu)連接，不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。所以AB的轉(zhuǎn)角為零，不發(fā)生變形。

則每根輪輻可看作A段固定，B端承受P/4力和力矩MB作用的懸臂梁，即

B點(diǎn)的撓度：

其中 l-輪輻的長(zhǎng)度；b-輪輻的寬度；h-輪輻的高度；J-輪輻的慣性矩

矩形截面為：

A、B處彎矩最大，最大彎矩應(yīng)力為：

式中W-輪輻截面抗彎模量，矩形截面為：

輪輻切力：

梁的中性面上切應(yīng)力最大，即

以上分析可知，輪輻式測(cè)力傳感器是通過(guò)搭建差動(dòng)式全橋電路測(cè)量輪輻上的切應(yīng)力，進(jìn)而通過(guò)上式計(jì)算輪轂上端面的載荷，該輪輻式彈性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：高度低，滯后小，精度高，重復(fù)性和線(xiàn)性度好[2]，抗偏心載荷及側(cè)向力能力強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，提高應(yīng)變式壓力傳感器的綜合性能，可以從兩個(gè)方面入手：第一，可以通過(guò)應(yīng)變片的布置和測(cè)量電路的連接來(lái)改變它的精度和靈敏度；第二，可以通過(guò)改變彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)來(lái)提高傳感器的靈敏度，減小非線(xiàn)性誤差。

參考文獻(xiàn)

[1]房德馨.應(yīng)變電測(cè)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1987：39-49.

[2]強(qiáng)錫富.傳感器[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998：38-39.