电阻应变式称重传感器设计.docx

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电阻应变式称重传感器设计

前言

传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号（通常为电信号）的器件或装置，传感器是发展仪器仪表、自动控制和广泛应用计算机的前提条件。

《传感器原理与应用》课程主要研究各类传感器的工作原理、简单结构以及实际的应用。

本课程设计时间为两周，课程设计旨在培养学生的综合应用能力，通过本实践环节，使学生加深对理论知识的理解，加深对传感器性能、检测电路的形式与配接、信号的分析与处理等内容的了解，使学生对测控系统的应用与设计有感性认识，为后续课程、毕业设计和工程实践服务。

本文设计了一个电阻应变式的称重传感器。

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩以及位移、加速度等参数的测量。

目前，无论在数量上还是在应用领域上，与其他传感器相比都具有重要的地位。

其主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定，可靠，测量速度快，适合静态、动态测量。

尚延臣

2009年6月23日

参考文献···································································21

电阻应变式称重传感器设计

第1章电阻应变式称重传感器的原理

电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重,在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。

它是电子衡器的核心部件。

它的质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。

在实际使用中,由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响,很容易发生故障,影响电子衡器计量数据的准确及稳定的运行。

因此,了解称重传感器的基本原理及故障原因,熟练掌握故障的分析判断技术,是快速准确地处理电子衡器的故障,保证其准确、稳定运行的关键。

1.1称重传感器的组成部分

称重传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。

应变片是一种传感元件,它的作用是将变形转变成电阻变化;弹性体是一个有特殊形状的结构件,它的主要作用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。

1.2工作原理

称重传感器的基本电路如图1所示

可以推出:

式中　、、、为应变片电阻;为传感器的输入信号;为传感器的输出信号。

当时,我们称之为电桥平衡,这时

图1基本电路图

称重传感器的输出电压=0mV。

物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器,称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化（增大或减小）。

再经相应的检测电路,把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流）输出,从而完成将外力变换为电信号的过程。

设====

当受到重力作用后,传感器的应变片电阻发生变化,假设各桥臂阻值变化相同,变量为,即:

、分别减小,、分别增大时

可以推出传感器的输出电压为:

第2章电阻应变片的设计

2.1应变片的工作原理

电阻应变敏感元件的转换原理是基于导线的电阻-应变效应。

由金属导体的电阻定律知，对于长度为、截面积为、电阻率为的金属丝，其电阻

结合材料的泊松比定律，经数学变换得金属丝电阻应变特性

则金属丝灵敏系数

故有

另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片

其中

2.2应变片的结构选择

应变片的结构形式很多，但其主要组成部分基本相同。

其中较为典型的是丝式、箔式和半导体式。

2.2.1电阻丝应变片

此丝式结构应变片的结构图如图2所示

图2电阻丝应变片

1—基底2—敏感栅3—覆盖层4—引线

此丝式结构应变片的优点：

制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。

缺点：

回线式应变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。

2.2.2箔式应变片

此箔式应变片的结构图如图3所示

图3箔式应变片结构图

箔式应变片结构优点：

（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制作成任意形状以适应不同的测量要求；

（2）粘合面积大；

（3）敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；

（4）散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；

（5）敏感栅弯头横向效应可以忽略；

（6）蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。

缺点：

工艺制作有些复杂。

2.2.3半导体应变片

此半导体应变片结构如图4所示

图4半导体应变片结构图

1—基底2—半导体敏感条3—外引线4—引线连接片5—内引线

此结构式传感器优点：

灵敏系数大，动态特性好

缺点：

重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。

总结以上典型结构的优缺点比较，选择箔式应变片较好，所以我决定选择箔式应变片作为敏感元件，并且选择如图5所示结构的箔式应变片

图5箔式应变片结构图

2.3应变片的材料选择

电阻应变计主要由电阻敏感珊、基底和面胶（或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。

基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感栅和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。

电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。

应变计结构如图6所示

图6所选应变片结构图

1—覆盖层2—基底3—引线4—粘合剂5—敏感栅

2.3.1电阻敏感栅材料选择

敏感栅合金材料的选择对制造电阻应变计性能好坏起着决定性的作用，因此它的材料选择要求如下：

（1）有较高的灵敏系数，并且在较大的应用X围内保持不变；

（2）有高的和稳定的电阻率；

（3）电阻温度系数小，电阻—温度间的线性关系和重复性好，并有足够的热稳定性；

（4）机械强度高，加工性能和焊接性能良好，与引线材料接触电势小；

（5）电阻变化率与机械应变具有良好而又宽广的线性关系；

（6）抗氧化、腐蚀性能强，无明显机械滞后。

目前没有一种金属材料能满足上述全部要求。

因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的电阻合金大致有以下几种：

康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金属等。

通过查阅资料以及对这几种材料的性能、成本对比，我选择康铜作为敏感栅材料。

康铜的性能如下:

合金成分/%：

Cu55,Ni45灵敏系数Ks：

1.9~2.1

电阻率：

0.45~0.54电阻温度系数:

±20*10-6

线膨胀系数:

15*10-6对铜热电势/μV/℃:

43

最高使用温度/℃:

静态:

250动态:

400

选康铜作敏感材料的理由如下：

首先这种材料最为常用,电阻温度系数小且稳定，同时它的Ks值对应变值的稳定性高。

不但在变形的弹性X围内Ks值保持不变，在进入塑性X围后，亦基本保持为常数。

所以用康铜作为敏感栅的应变计灵敏系数K=2，且其测量X围大。

同时对康铜用不同的方法加工，不同的热处理，或者改变合金成分的比例，可以改变它的电阻温度系数（由负值到正值），利用这一特性可以制造温度补偿电阻应变计。

而且该材料制作的应变片尤适合长时间、大应变测量。

2.3.2基底、引出线材料选择

基底的作用是固定应变计的敏感栅，使它保持一定的几何形状，并使电阻敏感栅与弹性元件相互绝缘。

应变片基底越厚，基底材料弹性模量越小，引起的蠕变越大。

通常选用基底薄、基底材料的弹性模量较高的应变片，取基底厚度为0.03～0.05mm。

对基底材料性能的要求是：

（1）机械强度高，挠性好；

（2）粘贴性能好；

（3）电绝缘性能好；

（4）热稳定性和抗湿性好；

（5）无滞后和蠕变。

玻璃纤维增强基底应变计长期稳定性好、蠕变小、滞后小、耐热性好、疲劳寿命高，最适用于高精度测力或称重传感器上，因而我们选用玻璃纤维布作为基底材料。

引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线，一般要求引出线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。

常温应变计引出线多用镀银紫铜丝或铜带。

引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。

我选用了康铜材料的敏感栅，且其使用条件无特殊要求，故采用银铜作引出线。

2.4应变片的参数

2.4.1应变片基长

为了使测量误差减小，将展开为级数，并略去高阶小量后，可得

粘贴在一定材料试件（为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长和频率的增加而增大。

因而在设计、应用应变片时，就可按上式给定的、、三者的关系，根据给定的精度，来确定合理的或工作频率，即

或

其基长应尽量选取短的，这样可以更真实地测出被测部位的应变值，以提高测量精度。

对于钢材，，若令精度，最高工作频率代入上式可得

故我取应变片栅长。

2.4.2应变片的电阻值

应变片的电阻值是指未安装的应变片，在不同的外力作用下，在室温条件下测定的电阻值，也称为原始电阻值，单位为。

应变片电阻值国内标准有：

60、120、350、600和1000等各种阻值，目前传感器生产中大多数选用120Ω或350Ω的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器长期使用的稳定性。

因此，在考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。

我选用阻值为120Ω的应变片。

2.4.3应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限

绝缘电阻是指敏感栅与基底之间的电阻值，绝缘电阻的降低将导致测量灵敏度的下降，并带来测量误差，产生零点漂移等。

因而要尽量选用基底绝缘性能好的应变计和粘结剂以提高绝缘电阻。

绝缘电阻值一般大于。

允许电流是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。

它与应变本身、试件、粘结剂和环境等有关。

要根据应变片的阻值和应用的电路等情况来计算。

为了保证测量精度在静态时允许电流一般为25mA，在动态测量时允许电流可达75～100mA，箔式应变片允许电流较大。

应变极限对于已安装好的应变计，在一定温度下，指示应变与被测试件真实应变的相对误差不超过一定值（一般为10%）时，所能测量的最大真实应变值称为应变极限。

我们要求应变片的应变极限至少要大于1000×10-6。

第3章传感器弹性元件的设计

3.1弹性元件的选择

电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式柱式、筒式和环式、弯曲式梁式和剪切式三大类。

为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度,将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，双孔梁就是其中有代表性的一种。

双孔梁的结构如图7所示,在板状梁上有两个孔,在梁的端部有集中力作用时,孔内承受弯曲变形。

将应变片粘贴在孔的内壁,应变片处于相反的应力区内,当和的变形为拉伸时,和为压缩变形,四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。

另外，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好,滞后小。

根据应力分布图可以看出,受力点位置变化时,一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。

图7双孔梁结构图

在称重和测力领域,经常采用拉压式和弯曲式应变传感器,该电