一种新型陶瓷压阻式传感器的有限元分析 陶瓷压阻传感器HY-133

　　摘要:阐述了一种新型陶瓷压阻式传感器的结构组成和工作原理。利用有限元ANSYS11.0对该陶瓷传感器进行了静态分析、模态分析和谐响应分析。分析结果表明,所设计的传感器满足设计要求,这些分析为此类传感器的设计提供了理论依据。
　　关键词:陶瓷压阻式传感器 有限元 静态分析 模态分析 谐响应分析
　　中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00
　　
　　引言
　　随着科学技术的发展,作为自动化、智能设备的感官部件的传感器也得到充分的发展。压力传感器是目前应用最为广泛的一类传感器,随着应用领域的的拓展,对其材料和性能的要求也越来越高。本文要讲述的是一种应用在汽车空调系统上的新型压力传感器¬――陶瓷压阻式传感器。由于汽车空调多功能压力控制器的工作条件为-40～125℃,汽车在各种道路条件下运行,汽车空调系统承受着巨大的热负荷、热冲击、振动等,因此要求多功能压力控制器能适应温度、湿度、冲击、振动、腐蚀及油液污染等恶劣工作环境。陶瓷材料具有高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的特性,陶瓷传感器作为目前研发的重点方向之一,发展比较快。
　　本文首先介绍了一种新型陶瓷压阻式传感器进行了结构组成和工作原理,然后应用ANSYS有限元分析软件对该传感器进行了静态、模态和谐响应分析,并讨论了传感器的电压与静力、动态外力的幅度、频率之间的关系。通过模态仿真得到陶瓷压阻式传感器的固有频率。
　　
　　1 传感器的结构组成与工作原理
　　陶瓷压阻式传感器结构外形图如图1所示,感应元件采用圆平膜片结构,材料为96%Al2O3陶瓷,传感器主要由弹性膜片和厚膜电路两部分组成,另外还有基座和补零电路等。
　　弹性膜片接受外来压力,产生形变。由于所测压力直接作用在弹性膜片前表面,并且陶瓷具有极好的抗腐蚀性能,所以任何流体都可被直接测量。厚膜电路印刷在陶瓷弹性膜片的背面,由四个电阻R连接成一个惠斯顿电桥。
　　当被测压力作用于陶瓷弹性膜片一面时,弹性膜片将产生偏移,如图2所示,
　　当厚膜电阻在任意晶向受到纵向和横向应力作用时,其阻值的相对变化 为:
　　式中, 为纵向压阻系数, 为横向压阻系数, 为纵向应力, 为横向应力。
　　当惠斯顿全桥采用恒压源做激励源时,则它的输出电压 为:
　　式中, 为激励源电压, 是由于温度的增加而产生的电阻变化。由于该传感器应用在汽车空调系统上,温度变化范围较大,为了减少温度影响,压阻器件一般采用恒流源供电,它的输出电压 为:
　　
　　2 传感器的仿真分析
　　2.1 传感器的几何建模和单元划分
　　首先对图3中弹性膜片建立实体模型。单元类型采用SOLID92高精度实体单元,其中每个单元由10个节点组成,各节点均具有3个平移自由度,陶瓷材料的弹性模量 ,泊松比为 ,密度为 。然后对实体模型进行网格划分,建立弹性体的有限元模型,其中共有4147个节点,2132个单元,如图3所示。
　　2.2 传感器仿真分析
　　2.2.1 传感器的加载与求解
　　在传感器进行压力测量时,可以认为传感器受到的是均布压力,因此在弹性体与被测量接触的圆模面和杯壁内面施加与其垂直的均布压力。弹性膜片的底面外圈是与封接材料固定连接的,它们之间可以认为是刚性连接,并且在传感器进行测量时,其基座是被固定在被测物体上的,因此将弹性体接触被测量的环形底面的全部自由度设置为零。
　　在施加完载荷后,进行求解,得到弹性体在受到满量程5MPa压力作用下的变形如图4。
　　由上图可以看出,在5MPa均布压力作用下,弹性体的中心应变最大,为0.1297 mm 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文