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S型压力传感器形变的有限元分析

2016-12-27刘丰

企业技术开发·下旬刊 2016年11期
关键词:压力传感器位移有限元分析

刘丰

摘 要:在系统中使用S型压力传感器时,由于传感器在受压的情况下压力传感器会发生微型形变,一般情况下,微小的形变对系统不会产生影响,但在测量物体形变精度要求非常高的情况下S型传感器自身的形变会对结果造成严重后果,文章利用COMSOL对其在受压力情况下的形变进行有限元分析。对S型压力传感器在受力面正向施加0~10 kg的力,分析整体受压形变,对受力面的形变进行对比,得到形变位移最大值,同时分析出需要监测的几个点的位移情况,得出位移线型图。结果表明,位移最大点在S型的侧面,正受力点处位移的变化达到0.02 mm以上。

关键词:压力传感器;形变;有限元分析;位移

中图分类号:TB125 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2016)33-0072-02

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,压力传感器广泛应用于工业生产的许多行业,它的误差大小直接影响到测控系统的性能。由于目前的压力传感器一般是以弹性元件的形变指示压力,因此在使用过程中整个压力传感器会产生变形,由于其制作的材料等不同其形变也不同,因此在使用之前需对其进行分析,特别是使用在测量物体形变和受力关系的系统上,其自身形变可能会导致测量结果出现严重误差。本文结合一款S型压力传感器,使用COMSOL有限元分析对其受力情况下自身的形变进行有限元分析,得出相关数据,并分析出此传感器的受压最大位移点和正向受力面的各点线型图。

1 传感器材料及仿真模型的建立

1.1 传感器材料模型

S型压力传感器主要采用合金钢材料,其材料属性,见表1。

1.2 传感器几何模型与有限元模型

传感器几何模型采用三维几何模型,用外部CAD软件绘制出尺寸一致的三维体,然后导入到COMSOL软件中,对其进行边界约束和施加载荷面等设置后,进行网格化处理。为了降低计算机的计算成本,加快模型求解速度,可采用自由四面体网格进行实体域网格划分,其三维几何模型和有限元网格,如图1所示,其中四面体单元总数为25 924,三角形单元总数为9 510,边单元总数为1 632,顶点单元总数为56。

1.3 载荷和边界条件

在图1(a)三维几何模型中,施加载荷面在最上方,施加方向为Z轴反方向,即力的方向为从上往下压,在后面分析形变的时候重点监测的点即为几何模型中标注的6个。施加载荷大小为传感器的测量范围:0~100 N,载荷施加在三维模型的载荷施加面。在模型的最下方的为固定约束面,对其施加位移约束。

2 有限元分析结果

通过上述模型通过COMSOL计算处理后,得到的物体形变情况,如图2所示。

从形变图中可以看出,当S型传感器在受到正上方压力的时候,其形变最大点再上端侧面处,施加载荷50 N时,其位移形变为17.1 439 um。

三维模型中监测点的形变线图,如图3所示。

从监测点的位移情况发现,S型压力传感器下端的变形较小,而上端变形较大,4号位置接近最大位移点,在接近最大载荷时,其形变位移达到0.03 mm,最上面直接受力点2在最大载荷情况下达到0.025 mm。

监测点1-6的分析数据,见表2。

通过上述数据和图形可以得出,在S型压力传感器上施加载荷,会使其自身产生形变,位移大小在0.03 mm,即在系统中产生的位移误差为0.03 mm。其位移基本呈线性状态,因此在使用此类传感器时,如果测量的精度要求很高,就可以考虑利用线性位移的特性对其形变进行数据矫正,提高系统测量数据精度,减小误差。

3 结 语

利用COMSOL有限元进行传感器特性的分析,简单有效,省去了复杂的公式推导,减少了分析的时间,降低了分析中可能出现误差的可能性。在进行传感器形变分析中可以得到形变的最大位移的位置,可以分析各点在载荷情况下的形变情况,为系统使用传感器提出指引,同时可以看出S型传感器在载荷情况下的形变线性度很好,为系统测量的后期数据处理提供帮助。

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