S型壓力傳感器形變的有限元分析

劉豐

摘 要：在系統中使用S型壓力傳感器時，由于傳感器在受壓的情況下壓力傳感器會發生微型形變，一般情況下，微小的形變對系統不會產生影響，但在測量物體形變精度要求非常高的情況下S型傳感器自身的形變會對結果造成嚴重后果，文章利用COMSOL對其在受壓力情況下的形變進行有限元分析。對S型壓力傳感器在受力面正向施加0～10 kg的力，分析整體受壓形變，對受力面的形變進行對比，得到形變位移最大值，同時分析出需要監測的幾個點的位移情況，得出位移線型圖。結果表明，位移最大點在S型的側面，正受力點處位移的變化達到0.02 mm以上。

關鍵詞：壓力傳感器；形變；有限元分析；位移

中圖分類號：TB125 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）33-0072-02

傳感器技術是現代測量和自動化系統的重要技術之一，壓力傳感器廣泛應用于工業生產的許多行業，它的誤差大小直接影響到測控系統的性能。由于目前的壓力傳感器一般是以彈性元件的形變指示壓力，因此在使用過程中整個壓力傳感器會產生變形，由于其制作的材料等不同其形變也不同，因此在使用之前需對其進行分析，特別是使用在測量物體形變和受力關系的系統上，其自身形變可能會導致測量結果出現嚴重誤差。本文結合一款S型壓力傳感器，使用COMSOL有限元分析對其受力情況下自身的形變進行有限元分析，得出相關數據，并分析出此傳感器的受壓最大位移點和正向受力面的各點線型圖。

1 傳感器材料及仿真模型的建立

1.1 傳感器材料模型

S型壓力傳感器主要采用合金鋼材料，其材料屬性，見表1。

1.2 傳感器幾何模型與有限元模型

傳感器幾何模型采用三維幾何模型，用外部CAD軟件繪制出尺寸一致的三維體，然后導入到COMSOL軟件中，對其進行邊界約束和施加載荷面等設置后，進行網格化處理。為了降低計算機的計算成本，加快模型求解速度，可采用自由四面體網格進行實體域網格劃分，其三維幾何模型和有限元網格，如圖1所示，其中四面體單元總數為25 924，三角形單元總數為9 510，邊單元總數為1 632，頂點單元總數為56。

1.3 載荷和邊界條件

在圖1（a）三維幾何模型中，施加載荷面在最上方，施加方向為Z軸反方向，即力的方向為從上往下壓，在后面分析形變的時候重點監測的點即為幾何模型中標注的6個。施加載荷大小為傳感器的測量范圍：0～100 N，載荷施加在三維模型的載荷施加面。在模型的最下方的為固定約束面，對其施加位移約束。

2 有限元分析結果

通過上述模型通過COMSOL計算處理后，得到的物體形變情況，如圖2所示。

從形變圖中可以看出，當S型傳感器在受到正上方壓力的時候，其形變最大點再上端側面處，施加載荷50 N時，其位移形變為17.1 439 um。

三維模型中監測點的形變線圖，如圖3所示。

從監測點的位移情況發現，S型壓力傳感器下端的變形較小，而上端變形較大，4號位置接近最大位移點，在接近最大載荷時，其形變位移達到0.03 mm，最上面直接受力點2在最大載荷情況下達到0.025 mm。

監測點1-6的分析數據，見表2。

通過上述數據和圖形可以得出，在S型壓力傳感器上施加載荷，會使其自身產生形變，位移大小在0.03 mm，即在系統中產生的位移誤差為0.03 mm。其位移基本呈線性狀態，因此在使用此類傳感器時，如果測量的精度要求很高，就可以考慮利用線性位移的特性對其形變進行數據矯正，提高系統測量數據精度，減小誤差。

3 結 語

利用COMSOL有限元進行傳感器特性的分析，簡單有效，省去了復雜的公式推導，減少了分析的時間，降低了分析中可能出現誤差的可能性。在進行傳感器形變分析中可以得到形變的最大位移的位置，可以分析各點在載荷情況下的形變情況，為系統使用傳感器提出指引，同時可以看出S型傳感器在載荷情況下的形變線性度很好，為系統測量的后期數據處理提供幫助。

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