提高应变式压力传感器的性能研究

提高应变式压力传感器的性能研究

提 要：压力传感器是比较常见的测力传感器之一，但传感器的性能包括灵敏度和精度等也都不尽相同，文章阐述了提高传感器性能的有效方法。

标签：压力传感器；应变片；轮辐；切应力

压力传感器的种类很多，在工业领域应用也较为广泛，可以适用于各种工业自动控制系统中，石油石化、水利水电、铁路公路、油井、船舶，核电管道等众多行业，应用原理也有区别，有压磁式的，有压电式的，但最常见也是最稳定的还是应变片式的压力传感器。

1 电阻应变式压力传感器机构及测量电路

电阻应变片是由基底、敏感栅及引线组成，黏贴在被测点的位置上，由敏感栅感应被测点压力的变化，进而转化为敏感栅上电阻阻值的改变，通过搭建电桥，转化为电压的变化。电阻应变片制作精巧，安装简单方便，能够在种种恶劣的条件下工作。此种电测方法具有线性特性好、灵敏度高、大大地提高了测量的准确度。

敏感元件的选择也决定了压力传感器的性能好坏，广泛使用的弹性敏感元件一般有圆柱式、圆环式、等截面或等强度悬臂梁式，实际根据我们在机械压力测试中的使用环境及测试规程，最常用的就是柱式弹性敏感元件。

电阻应变片通过基底上引线搭建的电路可以分为单臂式电桥，差动式半桥及差动式全桥电路，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，还可消除温度误差等共模干扰[1]。为了提高测量的灵敏度及减小测量的非线性误差，常用的是由4片应变片搭建的差动式全桥电路，而且也必须通过对被测点结构的分析来合理安排4片应变片的安装位置，确保获得最高的测量精度。

如图1所示，差动式全桥测量电路中，其中电阻应变片R1和R4沿着圆柱体的轴向中心位置呈相对安装，另外两片电阻应变片R2和R3沿着圆柱体的径向中心位置亦呈相对安装，为了焊线的方便，同侧的轴向与径向的安装位置应该尽量保持紧凑。这种黏贴方式能够确保在相同的压力作用下，4片电阻应变片会产生最大的应变值，测量电路的灵敏度最大。例如，在压力机标定试验中，当压力作用在弹性敏感元件上，通过有限元软件Ansys分析可知，在轴向中心位置为正向应力最大值，相反在径向中心位置为负向应力最大值。如图2可知，输出电压可由下式得到：

Uo=■KUi？着P（1+？滋）

2 改变应变片布置提高灵敏度

在实际应用中，针对图1应变片的黏贴位置可能会因为作用力的偏心影响而降低测量电路的灵敏度，因此应该尽量多地黏贴电阻应变片来提高整体测量的灵敏度，在极限状态下可提高灵敏度一倍左右。但是由于安装条件的限制不能无限制地增加应变片的数量，一般采用8片相同的应变片，其中4片应变片沿着轴向进行黏贴，以减小弯矩影响，另外4片沿着径向进行黏贴，做温度补偿用[2]。贴片在圆柱面上的黏贴位置及其在桥路中的连接如图3所示。

在8片应变片构成的全桥电路中，相对于4片电阻应变片组成的全桥电路增加了抗偏载能力，提高了传感器的灵敏度及精度。

3 采用轮辐结构提高精度

改变弹性敏感元件的结构也可以提高压力传感器的灵敏度及减小非线性误差带来的影响，轮辐立体结构如图4所示。

轮辐式弹性元件主要由三部分组成：轮毂、轮圈、轮辐条，轮毂是一个实心圆柱体，用来感受外力的作用，圆柱体的直径根据现场使用条件决定，圆柱体的高度一般为直径的2倍。轮圈起到固定安装传感器的作用，整个轮辐结构的核心元件是轮辐条，合理设计轮辐结构是采用四根轮辐条，成对且对称地连接轮圈与轮毂。通过上述分析，为了提高灵敏度，抗偏载能力，采用8片电阻应变片且成对安装在辐条中心成45°方向的位置。通过实验数据及ansys软件分析，当轮毂的上端面有力作用时，每条轮辐条就会产生微小形变，与外作用力P呈正比例的切应变，其值等于与弹性元件呈45°方向的主应力值，此时通过电阻应变片直接可测得切应力值。

如图5所示，8片电阻应变片搭建差动式全桥测量电路。在工作中，轮毂上端面有一定的冲击压力时，电阻应变片沿辐条的对角线缩短方向受压，电阻值减小，反之延长方向，电阻值增加，电路输出电压与作用力成线性特性。

如图6所示，在P作用下，欲使其产生切应力，轮毂和轮圈应为刚性结构连接，不能自由转动。所以AB的转角为零，不发生变形。

则每根轮辐可看作A段固定，B端承受P/4力和力矩MB作用的悬臂梁，即

B点的挠度：

其中 l-轮辐的长度；b-轮辐的宽度；h-轮辐的高度；J-轮辐的惯性矩

矩形截面为：

A、B处弯矩最大，最大弯矩应力为：

式中W-轮辐截面抗弯模量，矩形截面为：

轮辐切力：

梁的中性面上切应力最大，即

以上分析可知，轮辐式测力传感器是通过搭建差动式全桥电路测量轮辐上的切应力，进而通过上式计算轮毂上端面的载荷，该轮辐式弹性结构的特点：高度低，滞后小，精度高，重复性和线性度好[2]，抗偏心载荷及侧向力能力强。

4 结束语

综上所述，提高应变式压力传感器的综合性能，可以从两个方面入手：第一，可以通过应变片的布置和测量电路的连接来改变它的精度和灵敏度；第二，可以通过改变弹性敏感元件的结构来提高传感器的灵敏度，减小非线性误差。

参考文献

[1]房德馨.应变电测技术[M].机械工业出版社，1987：39-49.

[2]强锡富.传感器[M].机械工业出版社，1998：38-39.