提高應變式壓力傳感器的性能研究

提 要：壓力傳感器是比較常見的測力傳感器之一，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。

關鍵詞：壓力傳感器；應變片；輪輻；切應力

壓力傳感器的種類很多，在工業領域應用也較為廣泛，可以適用于各種工業自動控制系統中，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，應用原理也有區別，有壓磁式的，有壓電式的，但最常見也是最穩定的還是應變片式的壓力傳感器。

1 電阻應變式壓力傳感器機構及測量電路

電阻應變片是由基底、敏感柵及引線組成，黏貼在被測點的位置上，由敏感柵感應被測點壓力的變化，進而轉化為敏感柵上電阻阻值的改變，通過搭建電橋，轉化為電壓的變化。電阻應變片制作精巧，安裝簡單方便，能夠在種種惡劣的條件下工作。此種電測方法具有線性特性好、靈敏度高、大大地提高了測量的準確度。

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、圓環式、等截面或等強度懸臂梁式，實際根據我們在機械壓力測試中的使用環境及測試規程，最常用的就是柱式彈性敏感元件。

電阻應變片通過基底上引線搭建的電路可以分為單臂式電橋，差動式半橋及差動式全橋電路，其中差動全橋可提高電橋的靈敏度，消除電橋的非線性誤差，還可消除溫度誤差等共模干擾[1]。為了提高測量的靈敏度及減小測量的非線性誤差，常用的是由4片應變片搭建的差動式全橋電路，而且也必須通過對被測點結構的分析來合理安排4片應變片的安裝位置，確保獲得最高的測量精度。

如圖1所示，差動式全橋測量電路中，其中電阻應變片R1和R4沿著圓柱體的軸向中心位置呈相對安裝，另外兩片電阻應變片R2和R3沿著圓柱體的徑向中心位置亦呈相對安裝，為了焊線的方便，同側的軸向與徑向的安裝位置應該盡量保持緊湊。這種黏貼方式能夠確保在相同的壓力作用下，4片電阻應變片會產生最大的應變值，測量電路的靈敏度最大。例如，在壓力機標定試驗中，當壓力作用在彈性敏感元件上，通過有限元軟件Ansys分析可知，在軸向中心位置為正向應力最大值，相反在徑向中心位置為負向應力最大值。如圖2可知，輸出電壓可由下式得到：

Uo=■KUi？著P（1+？滋）

2 改變應變片布置提高靈敏度

在實際應用中，針對圖1應變片的黏貼位置可能會因為作用力的偏心影響而降低測量電路的靈敏度，因此應該盡量多地黏貼電阻應變片來提高整體測量的靈敏度，在極限狀態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限制地增加應變片的數量，一般采用8片相同的應變片，其中4片應變片沿著軸向進行黏貼，以減小彎矩影響，另外4片沿著徑向進行黏貼，做溫度補償用[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片應變片構成的全橋電路中，相對于4片電阻應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 采用輪輻結構提高精度

改變彈性敏感元件的結構也可以提高壓力傳感器的靈敏度及減小非線性誤差帶來的影響，輪輻立體結構如圖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，輪轂是一個實心圓柱體，用來感受外力的作用，圓柱體的直徑根據現場使用條件決定，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，整個輪輻結構的核心元件是輪輻條，合理設計輪輻結構是采用四根輪輻條，成對且對稱地連接輪圈與輪轂。通過上述分析，為了提高靈敏度，抗偏載能力，采用8片電阻應變片且成對安裝在輻條中心成45°方向的位置。通過實驗數據及ansys軟件分析，當輪轂的上端面有力作用時，每條輪輻條就會產生微小形變，與外作用力P呈正比例的切應變，其值等于與彈性元件呈45°方向的主應力值，此時通過電阻應變片直接可測得切應力值。

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

如圖6所示，在P作用下，欲使其產生切應力，輪轂和輪圈應為剛性結構連接，不能自由轉動。所以AB的轉角為零，不發生變形。

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點的撓度：

其中 l-輪輻的長度；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：

梁的中性面上切應力最大，即

以上分析可知，輪輻式測力傳感器是通過搭建差動式全橋電路測量輪輻上的切應力，進而通過上式計算輪轂上端面的載荷，該輪輻式彈性結構的特點：高度低，滯后小，精度高，重復性和線性度好[2]，抗偏心載荷及側向力能力強。

4 結束語

綜上所述，提高應變式壓力傳感器的綜合性能，可以從兩個方面入手：第一，可以通過應變片的布置和測量電路的連接來改變它的精度和靈敏度；第二，可以通過改變彈性敏感元件的結構來提高傳感器的靈敏度，減小非線性誤差。

參考文獻

[1]房德馨.應變電測技術[M].機械工業出版社，1987：39-49.

[2]強錫富.傳感器[M].機械工業出版社，1998：38-39.