采用3D打印技术的腰形筒压力传感器研究

发布时间：2020-02-18 06:39

【摘要】：腰形筒压力传感器具有体积小、重量轻、易于与安装试件表面共形、灵敏度高、精度高的优点,可以应用于航空航天、工业、生物医疗、建筑、汽车等领域,但传统工艺制造腰形筒压力传感器加工复杂、耗时较长、制作成本高,而近年来发展更趋成熟的3D打印技术可以有效的克服这些问题,因此使用3D打印技术试制该类传感器具有重要意义。本文研究了一种采用3D打印技术的腰形筒压力传感器,通过有限元仿真进行了验证和优化,并对所制的传感器进行了性能测试。本文主要研究工作和结果如下:(1)介绍了腰形筒压力传感器的传感原理和基本结构,建立腰形筒有限元模型,通过ABAQUS有限元仿真研究了腰形筒在内压下的表面应变分布,确定了应变片布置方案,利用有限元仿真对腰形筒的各项结构尺寸参数采用控制变量法分析了其与输出应变和传感器灵敏度、量程的关系,得到腰形筒的最佳尺寸,并计算了该尺寸下不同压力对应的理论应变输出。(2)采用3D技术制备腰形筒压力传感器,选择光敏树脂材料Somos 14120作为腰形筒打印材料,使用立体光刻成型(SLA)技术作为打印工艺,通过SolidWorks进行腰形筒三维建模,使用工业级SLA 3D打印机SPS 450打印得到腰形筒弹性元件,安装并连接电阻应变片,完成传感器的制备,并比较了不同打印参数的腰形筒弹性元件打印方案。探索了金属腰形筒压力传感器的一体化3D打印方案,打印材料采用了铍青铜QBe2、康铜6J40、聚四氟乙烯和聚酰亚胺,使用激光选区烧结(SLS)技术及磁控溅射技术作为制备工艺,3D打印机选择3D Systems ProX500 SLS。(3)建立的腰形筒压力传感器性能测试系统,对传感器进行验证与测试,测得传感器性能稳定,工作量程为0~5kPa,符合设计量程,满量程输出为2710.20με,灵敏度为542.04με/kPa,线性度好,达99.7%,迟滞误差为1.53%,重复性高,误差为0.85%,精确度误差为2.62%,零漂误差为0.30%,与理论设计值相比,传感器输出误差为4.74%,灵敏度误差0.58%。
【图文】：

压力传感器,医疗环境,工业发展,航空航天

图 1.1 压力传感器的应用领域力传感器的性能与作用日益强大，因此，为了给医疗环境，工业发展，，航空航天事的条件，进一步开拓对压力的测量、监测与控制必不可少。压力传感器的发展趋势前压力传感器的发展主要可以归为以下几方面：1）小型化：小型化的好处有重量轻、体积小、便于安装并减小对周围仪表的影响。2）集成化：将传感器与电路或其他测量仪器集成在一起，从而减少成本，提高稳定3）智能化：在集成化的基础上加入微处理器，使得传感器具备自补偿、自适应等功4）系列化：由于单一产品的市场竞争力大不如前，系列化的产品将更具生命力。5）标准化：传感器行业已形成了一些行业标准如 ISO、IEC 等。阻应变式压力传感器力传感器按工作原理可分为：应变式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力容式压力传感器、电感式压力传感器等，其中，电阻应变式压力传感器基于电阻应

电阻应变式传感器,传感器结构,应变片,敏感栅

将金属丝绕成栅形，端部呈圆弧形，而短接式将金属丝平行排焊接而成，端部平直，克服了丝绕式存在的横向效应，但由于使疲劳寿命降低，因此此类传感器稳定性、寿命不高，但成本性的测量。变式压力传感器采用以厚度 0.003-0.01mm 的金属箔为敏感栅感压原理与前者类似，基于电阻应变效应。其中的敏感栅制作工刻、腐蚀等工艺制成的，可依据测量对象的要求制成任意复杂热稳定性的合金如康铜、改性镍铬合金等。由于其横向部分可应相比丝绕式要小。箔栅厚度很小，而栅条比栅丝允许通过的劳寿命长，且能具备更高的灵敏度。阻应变式压力传感器是通过真空沉积或真空溅射等方法，将金敏感栅，膜的厚度从几埃到几千埃不等，将膜层直接做在弹性臂，同样基于电阻应变效应工作。膜的电传导特性使其应变灵和蠕变较小，且材料选择范围更广，可使用耐腐蚀的高温金属
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】