采用3D打印技术的腰形筒压力传感器研究

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Somos14120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SLA3D打印机SPS450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%。

目录

声明

注释表

缩略词

第1章 绪论

1.1 压力传感器的研究及意义

1.2 电阻应变式压力传感器

1.3 3D打印技术与传感器

1.4 本文研究的主要内容

第2章 腰形筒压力传感器的工作原理与设计

2.1 腰形筒压力传感器的基本原理

2.2 腰形筒压力传感器的应变分析

2.3 腰形筒压力传感器的结构优化

2.4 本章小结

第3章 3D打印技术与腰形筒压力传感器的试制

3.1 3D打印选材

3.2 3D打印工艺

3.3 腰形筒非金属弹性元件的试制

3.4 电阻应变片的选择、安装与连接

3.5金属弹性元件的腰形筒压力传感器3D打印方案探索

3.6 本章小结

第4章 腰形筒压力传感器基本性能测试与分析

4.1 传感器的测试标准

4.2腰形筒压力传感器的性能测试系统

4.3 传感器性能测试结果与分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 研究工作的创新及贡献

5.3 存在问题和展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文