應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計(已排版)

1、應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計摘 要粘貼式電阻應(yīng)變計廣泛應(yīng)用于當(dāng)今高精度測力與稱重傳感器的制造中。本篇文章為幫助稱重傳感器設(shè)計者計算出稱重傳感器尺寸大小，從而為獲得唯一需要的輸出作了充分的準(zhǔn)備。設(shè)計者既可以運用有限元分析法經(jīng)計算機程序（如果可能）來確定稱重傳感器所需要的尺寸，或運用本文所提供的公式來計算此尺寸。通過某些假設(shè)得出的這些計算公式，另外還有電阻應(yīng)變計的特性、應(yīng)力形式、材料特征以及機械加工的偏差都會導(dǎo)致計算結(jié)果的一定誤差。在批量制造稱重傳感器前，應(yīng)制造幾個樣機進(jìn)行組裝、測試和標(biāo)定。 在某些工業(yè)中，如航天工業(yè)也許只需要一次性的稱重傳感器，為決定其非線性、重復(fù)性和滯后等誤差，在使用前對其進(jìn)行標(biāo)定是十

2、分重要的。當(dāng)計算機被應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理時，非線性、零點漂移及靈敏度變化，是很容易修正的。如果稱重傳感器在使用時要經(jīng)歷強烈的溫度變化和外部附加載荷的影響，我們應(yīng)進(jìn)行試驗并測量出這些影響量所造成的誤差。如果某部分結(jié)構(gòu)（如接頭、銷子、壓桿）用來測量或是被用作稱重傳感器時，標(biāo)定和測試就尤為重要了。 稱重傳感器設(shè)計包括許多方面，這里對其制造生產(chǎn)不予討論，例如，需要對電阻應(yīng)變計安裝技術(shù)知識的全面了解，一些電阻應(yīng)變計制造商提供技術(shù)資料的同時，還應(yīng)提供電阻應(yīng)變計安裝的分類等。在過去十年中，計算機技術(shù)的發(fā)展改變了稱重傳感器的設(shè)計、制造與記錄方式，例如在電阻應(yīng)變計被安裝后，所有的稱重傳感器都有一個原始的不平衡（當(dāng)沒有

3、載荷作用時，也有輸出信號存在）。通常零點調(diào)整電阻被應(yīng)用于商業(yè)稱重傳感器，以便消除這種不平衡。運用計算機程序，零點不平衡數(shù)據(jù)很容易被除掉。除了零點調(diào)整電阻外，在精密的商業(yè)稱重傳感器中安裝了許多電阻，便于補償諸如零點和靈敏度溫度影響。如果在記錄數(shù)據(jù)的同時，稱重傳感器的溫度也進(jìn)行了測量，并且當(dāng)這個稱重傳感器被標(biāo)定時，溫度造成的誤差已被測定，那么就應(yīng)該運用計算機程序修正最終數(shù)據(jù)。商業(yè)稱重傳感器制造商不為計算機提供用于修正原始不平衡或溫度影響的數(shù)據(jù)，因為他們不想局限市場。商業(yè)稱重傳感器不安裝零點平衡及溫度補償電阻會節(jié)省大量資金，尤其是需求量很大時效果更明顯。關(guān)鍵詞：傳感器，電阻應(yīng)變式，稱重，誤差摘 要

4、. .1第一章、傳感器簡介 . .31.1應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展 .31.2 應(yīng)變式稱重傳感器的技術(shù)創(chuàng)新 .4第二章、電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理 .62.1 稱重傳感器的組成部分 .62.2 工作原理 . .6第三章 電阻應(yīng)變片的設(shè)計 . .103.1 應(yīng)變片的工作原理 .103.2 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)選擇 .103.3 應(yīng)變片的材料選擇 .123.4 應(yīng)變片的參數(shù) . .143.5傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計： .153.6彈性元件設(shè)計 . .163.7應(yīng)變片的粘貼 . .18第四章 傳感器靈敏彈性元件的設(shè)計 .194.1 彈性元件的選擇 . .194.2 雙孔梁受力分析 . .194.3 彈性元件材料選擇 .

5、224.4 雙孔梁的尺寸選擇 .23第五章 變換檢測電路設(shè)計 .245.1 橋路的設(shè)計 . .245.2 放大電路的設(shè)計 . .255.3 檢波、濾波電路的設(shè)計 .265.4 其他電路的設(shè)計與選擇 .27第六章 傳感器的工藝設(shè)計 .276.1應(yīng)變片的粘貼工藝 .276.2傳感器的封裝 . .28第七章 誤差源分析以及處理 .28第八章 小結(jié) . .30參考文獻(xiàn) . .31第一章、傳感器簡介1.1應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展1938年美國加利福尼亞理工學(xué)院教授E.Simmons(西蒙斯 和麻省理工學(xué)院教授A.Ruge(魯奇 分別同時研制出紙基絲繞式電阻應(yīng)變計，以他們名字的字頭和各有二位助手命名為SR-

6、4型，由美國BLH 公司專利生產(chǎn)。為研制應(yīng)變式負(fù)荷傳感器奠定了理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。1940年美國BLH 公司和Revere 公司總工程師A.Thurston(瑟斯頓 利用SR 一4型電阻應(yīng)變計研制出圓柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式負(fù)荷傳感器，用于工程測力和稱重計量，成為應(yīng)變式負(fù)荷傳感器的創(chuàng)始者。1942年在美國應(yīng)變式負(fù)荷傳感器已經(jīng)大量生產(chǎn)，至今已有60多年的歷史。前30多年，是利用正應(yīng)力(拉伸、壓縮、彎曲應(yīng)力 的柱、筒、環(huán)、梁式結(jié)構(gòu)負(fù)荷傳感器的一統(tǒng)天下。在此時期內(nèi)，英國學(xué)者杰克遜研制出金屬箔式電阻應(yīng)變計，為負(fù)荷傳感器提供了較理想的轉(zhuǎn)換元件，并創(chuàng)造了用熱固膠粘貼電阻應(yīng)變計的新工藝。美國BLH 公司和Revere 公

7、司經(jīng)過多年實踐創(chuàng)造了負(fù)荷傳感器電路補償與調(diào)整工藝，提高了負(fù)荷傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，使準(zhǔn)確度由40年代的百分之幾量級提高到70年代初的0.05量級。但在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題也很突出，主要是：加力點變化會引起比較大的靈敏度變化; 同時進(jìn)行拉、壓循環(huán)加載時靈敏度偏差大; 抗偏心和側(cè)向載荷能力差; 不能進(jìn)行小載荷測量。上述缺點嚴(yán)重制約了負(fù)荷傳感器的發(fā)展。后30多年，經(jīng)歷了70年代的切應(yīng)力負(fù)荷傳感器和鋁合金小量程負(fù)荷傳感器兩大技術(shù)突破;80年代稱重傳感器與測力傳感器徹底分離，制定R60國際建議和研發(fā)出數(shù)字式智能稱重傳感器兩項重大變革;90年代在結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝中不斷納入高新技術(shù)迎接新挑戰(zhàn)，加速了稱重

8、傳感器技術(shù)的發(fā)展。1973年美國學(xué)者霍格斯特姆為克服正應(yīng)力負(fù)荷傳感器的固有缺點，提出不利用正應(yīng)力，而利用與彎矩?zé)o關(guān)的切應(yīng)力設(shè)計負(fù)荷傳感器的理論，并設(shè)計出圓截工字形截面懸臂剪切梁型負(fù)荷傳感器。打破了正應(yīng)力負(fù)荷傳感器的一統(tǒng)天下，形成了新的發(fā)展潮流。這是負(fù)荷傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重大突破。1974年前后美國學(xué)者斯坦因和德國學(xué)者埃多姆分別提出建立彈性體較為復(fù)雜的力學(xué)模型，利用有限單元計算方法，分析彈性體的強度、剛度，應(yīng)力場和位移場，求得最佳化設(shè)計。為利用現(xiàn)代分析手段和計算方法設(shè)計與計算負(fù)荷傳感器開辟了新途徑。1.2 應(yīng)變式稱重傳感器的技術(shù)創(chuàng)新70年代初中期，美、日等國的衡器制造公司開始研發(fā)商業(yè)用電子計價秤，

9、急需小量程負(fù)荷傳感器。傳統(tǒng)的正應(yīng)力和新研制的切應(yīng)力負(fù)荷傳感器都不能實現(xiàn)幾公斤至幾十公斤量程范圍內(nèi)的測量。美國學(xué)者查特斯提出用低彈性模量的鋁合金做彈性體，采用多梁結(jié)構(gòu)解決靈敏度和剛度這對矛盾。設(shè)計出小量程鋁合金平行梁型負(fù)荷傳感器，同時指出平行梁負(fù)荷傳感器是基于不變彎矩原理，使利用平行梁表面彎曲應(yīng)力的正應(yīng)力結(jié)構(gòu)，具有切應(yīng)力負(fù)荷傳感器的特點，為平行梁結(jié)構(gòu)負(fù)荷傳感器的設(shè)計與計算奠定了理論基礎(chǔ)，形成了又一個發(fā)展潮流。蠕變是電阻應(yīng)變計和鋁合金負(fù)荷傳感器經(jīng)常遇到和必需解決的關(guān)鍵問題。1978年前蘇聯(lián)學(xué)者科洛考娃通過對一維力學(xué)模型和應(yīng)變傳遞系數(shù)的分析，提出控制電阻應(yīng)變計敏感柵的柵頭寬度與柵絲寬度的比例，可以制

10、造出不同蠕變值電阻應(yīng)變計的理論，并成功的研制出系列蠕變補償電阻應(yīng)變計。對低容量鋁合金負(fù)荷傳感器減小蠕變誤差，提高準(zhǔn)確度起到至關(guān)重要的作用，使電子計價秤用鋁合金負(fù)荷傳感器多品種、大批量生產(chǎn)成為可能。 由于電子稱重技術(shù)的迅速發(fā)展，負(fù)荷傳感器性能的評定方法，已不能滿足采用階梯公差帶評定準(zhǔn)確度等級電子衡器的需要，急需與電子衡器準(zhǔn)確度評定方法相適應(yīng)的計量規(guī)程。80年代初，國際法制計量組織(OIML質(zhì)量測量指導(dǎo)秘書處決定將用于電子稱重的傳感器與用于測力的傳感器徹底分離，由美國負(fù)責(zé)的第8報告秘書處起草稱重傳感器計量規(guī)程。經(jīng)過OIML 成員國書面表決后，在1984年10月第7屆法制計量大會上正式批準(zhǔn)，并于19

11、85年以O(shè)IML ，R60國際建議頒布，下發(fā)到各成員國。目前各國正在執(zhí)行的是R60的2000年版?？梢哉fR60稱重傳感器計量規(guī)程是各國稱重傳感器進(jìn)入國際市場的“通行證”。 隨著數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對數(shù)字化電子衡器的需求愈來愈多，提出用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)局限性的要求，對此模擬式稱重傳感器就無能為力了。因為在此之前，稱重傳感器的研究都集中在硬件方面，例如：創(chuàng)新彈性體結(jié)構(gòu)，改進(jìn)制造工藝，完善電路補償與調(diào)整等。模擬式稱重傳感器的輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀表復(fù)雜，組秤調(diào)試周期長等缺點依然如故。為滿足數(shù)字化電子衡器的需求，美國TOLEDO 、STS 和CAR

12、DINAL 公司，德國HBM 公司等先后研制出整體型和分離型數(shù)字式智能稱重傳感器，并以其輸出信號大，抗干擾能力強，信號傳輸距離遠(yuǎn)，易實現(xiàn)智能控制等特點，成為數(shù)字化電子衡器和自動稱重計量與控制系統(tǒng)的必選產(chǎn)品，形成一個開發(fā)熱點。90年代，由于稱重傳感器的設(shè)計與計算等基本技術(shù)趨于成熟，稱重傳感器的發(fā)展側(cè)重于工藝研究和應(yīng)用研究，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、工程化設(shè)計和規(guī)?；a(chǎn)工藝等方面都有很大進(jìn)步，主要是：在結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計中引入計算機擬實技術(shù)和虛擬技術(shù);在彈性體加工中納入柔性制造技術(shù);在穩(wěn)定處理中移植了振動時效、共振時效新工藝;在測試檢定中創(chuàng)造了自動快速檢測和動態(tài)比對方法。應(yīng)用技術(shù)研究也有突破性進(jìn)展：在傳

13、統(tǒng)稱重模塊的基礎(chǔ)上，研制出新式稱重模塊。這是應(yīng)用新技術(shù)面對新挑戰(zhàn)的典型產(chǎn)品。其特點是組件化設(shè)計，具有“即插即用”功能，可減少由于偏重、熱效應(yīng)影響，偶然超載等引起的稱重誤差，并可承受由于振動、沖擊、攪拌或其它外力引起的偏重。總之，70年代兩項技術(shù)突破，80年代兩個重大變革，90年代納入高新技術(shù)面對新挑戰(zhàn)的研發(fā)理念，極大地促進(jìn)了稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展。傳感器是感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號（通常為電信號）的器件或裝置，傳感器是發(fā)展儀器儀表、自動控制和廣泛應(yīng)用計算機的前提條件。傳感器原理與應(yīng)用課程主要研究各類傳感器的工作原理、簡單結(jié)構(gòu)以及實際的應(yīng)用。本課程設(shè)計時間為兩周，課程設(shè)計旨在培

14、養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，通過本實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生加深對理論知識的理解，加深對傳感器性能、檢測電路的形式與配接、信號的分析與處理等內(nèi)容的了解，使學(xué)生對測控系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計有感性認(rèn)識，為后續(xù)課程、畢業(yè)設(shè)計和工程實踐服務(wù)。本文設(shè)計了一個電阻應(yīng)變式的稱重傳感器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應(yīng)變式傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，已廣泛地應(yīng)

15、用于航空、機械、電力、化工、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域中的力、壓力、力矩以及位移、加速度等參數(shù)的測量。目前，無論在數(shù)量上還是在應(yīng)用領(lǐng)域上，與其他傳感器相比都具有重要的地位。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，靈敏度高，性能穩(wěn)定，可靠，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量。第二章、電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理電阻應(yīng)變式稱重傳感器用于靜態(tài)、動態(tài)條件下測力或稱重 , 在我國工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制、自動計量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。它是電子衡器的核心部件。它的質(zhì)量好壞是影響電子衡器計量準(zhǔn)確度的主要因素。在實際使用中 , 由于受到原材料及制造工藝、安裝方法、使用條件及外部環(huán)境的影響 , 很容易發(fā)生故障 , 影響電子衡器計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確

16、及穩(wěn)定的運行。因此 , 了解稱重傳感器的基本原理及故障原因 , 熟練掌握故障的分析判斷技術(shù) , 是快速準(zhǔn)確地處理電子衡器的故障 , 保證其準(zhǔn)確、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。2.1 稱重傳感器的組成部分稱重傳感器主要由電阻應(yīng)變片、彈性體、檢測電路三部分組成。應(yīng)變片是一種傳感元件 , 它的作用是將變形轉(zhuǎn)變成電阻變化; 彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件, 它的主要作用是將力轉(zhuǎn)換為形變; 檢測電路的主要部件是惠斯登電橋, 它可以比較方便地解決稱重傳感器的補償問題, 其功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號輸出。2.2 工作原理電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的

17、應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長為：L 、半徑為r 、材料的電阻率為時，根據(jù)電阻的定義式得（11） 當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)

18、變時，其長度L 、截面積A 和電阻率的變化為dL 、dA 、d 相應(yīng)的電阻變化為dR 。對式（11）全微分得電阻變化率 dR/R為： （12）式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量L ; dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量r由材料力學(xué)得： L = - r (13式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負(fù)號表示兩者的變化方向相反。將式（13）代入式（12）得： （14）式（14）說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)）。它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量。(1、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度K ：主要取決于其幾何效應(yīng)；可?。?5）

19、其靈敏度系數(shù)為：K= 金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。(2、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/R<d 。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使電阻增大）的或負(fù)（使電阻減?。┑膲鹤栊?yīng)。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到

20、完全相反的電阻變化效果。半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N 型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。本實驗以金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板，粘貼直徑為0.025mm 左右 的金屬絲或金屬箔制成，如圖11所示。 (a 絲式應(yīng)變片 (b 箔式應(yīng)變片圖11應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式應(yīng)變片就是通過光

21、刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲式應(yīng)變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： R R K 式中：R R 為電阻絲電阻相對變化，K 為應(yīng)變靈敏系數(shù), =L/L為電阻絲長度相對變化。為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測量中得到了廣泛的應(yīng)用。 電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的

22、兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。稱重傳感器的基本電路如圖1所示可以推出: 024131234( /( i U R R R R U R R R R =-+式中 1R 、2R 、3R 、4R 為應(yīng)變片電阻; i U 為傳感器的輸入信號; 0U 為傳感器的輸出信號。當(dāng)2413R R R R = 時 , 我們稱之為電橋平衡 , 這時圖 1 基本電路圖稱重傳感器的輸出電壓0U = 0mV。物料重量通過電子衡器的秤體或料斗作用于稱重傳感器 , 稱重傳感器的彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形 , 使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形 , 電阻應(yīng)變片變形后 , 它的阻值將發(fā)

23、生變化 (增大或減小 。再經(jīng)相應(yīng)的檢測電路 , 把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號 (電壓或電流 輸出 , 從而完成將外力變換為電信號的過程。設(shè)1R =2R =3R =4R =R當(dāng)受到重力作用后, 傳感器的應(yīng)變片電阻發(fā)生變化, 假設(shè)各橋臂阻值變化相同, 變量為R , 即: 1R 、3R 分別減小R , 2R 、4R 分別增大R 時可以推出傳感器的輸出電壓為: 0/i U RU R =用稱重傳感器就是應(yīng)用了箔式應(yīng)變片及其全橋測量電路。數(shù)字電子秤實驗原理如圖51。本實驗只做放大器輸出Vo 實驗，通過對電路的標(biāo)定使電路輸出的電壓值為重量對應(yīng)值，電壓量綱（V ）改為重量量綱（g ）即成為一臺原始電子秤。 圖5

24、1 數(shù)字電子稱原理框圖第三章 電阻應(yīng)變片的設(shè)計3.1 應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變敏感元件的轉(zhuǎn)換原理是基于導(dǎo)線的電阻-應(yīng)變效應(yīng)。由金屬導(dǎo)體的電阻定律知，對于長度為L 、截面積為A 、電阻率為的金屬絲，其電阻/R L A =結(jié)合材料的泊松比定律，經(jīng)數(shù)學(xué)變換得金屬絲電阻應(yīng)變特性/(12 /x dR R d =+則金屬絲靈敏系數(shù)/(12 s x x dR R d K =+故有/s x R R K =另外由于應(yīng)變片存在橫向效應(yīng)，因而對于應(yīng)變片/x R R K =其中s K K3.2 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式很多，但其主要組成部分基本相同。其中較為典型的是絲式、箔式和半導(dǎo)體式。此絲式結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

25、圖如圖2所示 圖2 電阻絲應(yīng)變片1基底 2敏感柵 3覆蓋層4引線此絲式結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的優(yōu)點：制作簡單、性能穩(wěn)定、價格便宜、易于粘貼。缺點：回線式應(yīng)變片橫向效應(yīng)大，而短接式應(yīng)變片焊點多，在沖擊、振動條件下，易在焊接處出現(xiàn)疲勞破壞，對制造工藝的要求高。此箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示 圖 3 箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)優(yōu)點：（1）制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，可以制作成任意形狀以適應(yīng)不同的測量要求；（2）粘合面積大；（3）敏感柵薄而寬，粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好；（4）散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而增大輸出信號；（5）敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；（6）蠕變、機械滯后較小，疲勞

26、壽命高。缺點：工藝制作有些復(fù)雜。此半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖4所示 圖4 半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖1基底 2半導(dǎo)體敏感條 3外引線 4引線連接片 5內(nèi)引線此結(jié)構(gòu)式傳感器優(yōu)點：靈敏系數(shù)大，動態(tài)特性好缺點：重復(fù)性及溫度、時間穩(wěn)定性較差，應(yīng)變時非線性嚴(yán)重，互換性差。總結(jié)以上典型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點比較，選擇箔式應(yīng)變片較好，所以我決定選擇箔式應(yīng)變片作為敏感元件，并且選擇如圖5所示結(jié)構(gòu)的箔式應(yīng)變片 圖 5 箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖3.3 應(yīng)變片的材料選擇電阻應(yīng)變計主要由電阻敏感珊、基底和面膠(或覆蓋層 、粘結(jié)劑、引出線五部分組成?；资菍鞲衅鲝椥泽w表面的應(yīng)變傳遞到電阻敏感柵上的中間介質(zhì)，并起到敏感柵和彈性體之間的絕緣作用，面膠起

27、著保護(hù)敏感柵的作用，粘結(jié)劑是將敏感柵和基底粘接在一起，引出線是作為聯(lián)接測量導(dǎo)線之用。電阻敏感柵可以將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)變計結(jié)構(gòu)如圖6所示 圖 6 所選應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖1覆蓋層 2基底 3引線 4粘合劑 5敏感柵敏感柵合金材料的選擇對制造電阻應(yīng)變計性能好壞起著決定性的作用，因此它的材料選擇要求如下：（1）有較高的靈敏系數(shù)，并且在較大的應(yīng)用范圍內(nèi)保持不變；（2）有高的和穩(wěn)定的電阻率；（3）電阻溫度系數(shù)小，電阻溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好，并有足夠的熱穩(wěn)定性；（4）機械強度高，加工性能和焊接性能良好，與引線材料接觸電勢小；（5）電阻變化率/R R 與機械應(yīng)變具有良好而又寬廣的線性關(guān)系；（6）抗氧化、

28、腐蝕性能強，無明顯機械滯后。目前沒有一種金屬材料能滿足上述全部要求。因此在選用時，只能給予綜合考慮，常用的電阻合金大致有以下幾種：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴重金屬等。通過查閱資料以及對這幾種材料的性能、成本對比，我選擇康銅作為敏感柵材料。康銅的性能如下:合金成分/ %：Cu55,Ni45 靈敏系數(shù)Ks ：1.92.1電阻率：0.450.54 電阻溫度系數(shù): ±20*10-6線膨脹系數(shù): 15*10-6 對銅熱電勢/V/: 43最高使用溫度/: 靜態(tài):250 動態(tài):400選康銅作敏感材料的理由如下：首先這種材料最為常用, 電阻溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，同時它的Ks 值對應(yīng)變值的

29、穩(wěn)定性高。不但在變形的彈性范圍內(nèi)Ks 值保持不變，在進(jìn)入塑性范圍后，亦基本保持為常數(shù)。所以用康銅作為敏感柵的應(yīng)變計靈敏系數(shù)K=2，且其測量范圍大。同時對康銅用不同的方法加工，不同的熱處理，或者改變合金成分的比例，可以改變它的電阻溫度系數(shù)(由負(fù)值到正值 ，利用這一特性可以制造溫度補償電阻應(yīng)變計。而且該材料制作的應(yīng)變片尤適合長時間、大應(yīng)變測量?；椎淖饔檬枪潭☉?yīng)變計的敏感柵，使它保持一定的幾何形狀，并使電阻敏感柵與彈性元件相互絕緣。應(yīng)變片基底越厚，基底材料彈性模量越小，引起的蠕變越大。通常選用基底薄、基底材料的彈性模量較高的應(yīng)變片，取基底厚度為0.030.05mm 。對基底材料性能的要求是：（1）

30、機械強度高，撓性好；（2）粘貼性能好；（3）電絕緣性能好；（4）熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥院茫唬?）無滯后和蠕變。玻璃纖維增強基底應(yīng)變計長期穩(wěn)定性好、蠕變小、滯后小、耐熱性好、疲勞壽命高，最適用于高精度測力或稱重傳感器上，因而我們選用玻璃纖維布作為基底材料。 引出線是連接敏感柵和測量線路的絲狀或帶狀的金屬導(dǎo)線，一般要求引出線材料具有低的穩(wěn)定的電阻率及小的電阻溫度系數(shù)。常溫應(yīng)變計引出線多用鍍銀紫銅絲或銅帶。引出線與敏感柵的連接，可以用錫焊、電弧焊、電接觸焊等。我選用了康銅材料的敏感柵，且其使用條件無特殊要求，故采用銀銅作引出線。3.4 應(yīng)變片的參數(shù)為了使測量誤差減小，將00sin /l l 展開為級數(shù)，并

31、略去高階小量后，可得22001166l l f e = 粘貼在一定材料試件（為常量）上的應(yīng)變片，對正弦波的響應(yīng)誤差隨柵長0l 和頻率f 的增加而增大。因而在設(shè)計、應(yīng)用應(yīng)變片時，就可按上式給定的e 、0l 、f 三者的關(guān)系，根據(jù)給定的精度e ，來確定合理的0l 或工作頻率max f ，即 0max l l <=或max f < 其基長0l 應(yīng)盡量選取短的，這樣可以更真實地測出被測部位的應(yīng)變值，以提高測量精度。對于鋼材，5000/m s =，若令精度0.5%e =，最高工作頻率max 25f kHz =代入上式可得max 1.1l cm = 故我取應(yīng)變片柵長01l cm =。應(yīng)變片的電

32、阻值是指未安裝的應(yīng)變片，在不同的外力作用下，在室溫條件下測定的電阻值，也稱為原始電阻值，單位為。應(yīng)變片電阻值國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有：60、120、350、600和1000等各種阻值，目 前傳感器生產(chǎn)中大多數(shù)選用120 或350 的應(yīng)變片，但是由于大阻值應(yīng)變片具有通過電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)工作時間長、動態(tài)測量信噪比高等優(yōu)點，并且大阻值應(yīng)變片可以減小應(yīng)變焦耳熱引起的零漂，提高傳感器長期使用的穩(wěn)定性。因此，在考慮價格因素的前提下，使用大阻值應(yīng)變片，對提高傳感器精度是有益的。我選用阻值為120的應(yīng)變片。絕緣電阻是指敏感柵與基底之間的電阻值，絕緣電阻的降低將導(dǎo)致測量靈敏度的下降，并帶來測量誤差，產(chǎn)生零點漂移

33、等。因而要盡量選用基底絕緣性能好的應(yīng)變計和粘結(jié)劑以提高絕緣電阻。絕緣電阻值一般大于1010。允許電流是指不因電流產(chǎn)生熱量影響測量精度，應(yīng)變片允許通過的最大電流。它與應(yīng)變本身、試件、粘結(jié)劑和環(huán)境等有關(guān)。要根據(jù)應(yīng)變片的阻值和應(yīng)用的電路等情況來計算。為了保證測量精度在靜態(tài)時允許電流一般為25mA ，在動態(tài)測量時允許電流可達(dá)75100mA ，箔式應(yīng)變片允許電流較大。應(yīng)變極限對于已安裝好的應(yīng)變計，在一定溫度下，指示應(yīng)變與被測試件真實應(yīng)變的相對誤差不超過一定值（一般為10%時，所能測量的最大真實應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。我們要求應(yīng)變片的應(yīng)變極限至少要大于1000×10-6。3.5傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計：圖（1

34、-1）設(shè)計成剪切梁式結(jié)構(gòu)，如圖（1-1）所示：對于一般的彈性傳感器，當(dāng)承受載荷時，梁就會產(chǎn)生彎曲，圖(1-2指出了剪力和彎矩圖，梁上產(chǎn)生的正應(yīng)力正比梁的彎矩，而彎矩又正比于梁受力的作用點的距離因此對于一般彈性量而言，力作用電位置變化會引起測量誤差。而剪切梁式由于測量它的且應(yīng)變，而切應(yīng)變與切力成正比, 而切力在梁上是常量，與彎矩?zé)o關(guān)，所以力作用點的位置發(fā)生變化不影響傳感器輸出。 圖（1-2）彈性應(yīng)變梁的剪力和彎矩1、線性好，精度高。輸出信號不受測力點位置變化的影響。 2、高度低，重量輕，體積小，易于安裝和維修。 3、結(jié)構(gòu)簡單，易于密封。 4、抗測向力強。3.6彈性元件設(shè)計衡量彈性元件材料基本性能

35、的主要指標(biāo)是彈性儲能（也叫應(yīng)變能）。彈性儲能它表示彈性材料吸收變形功而不發(fā)生永久變形的能力，即材料變形后儲存于材料內(nèi)的應(yīng)變能。其大小為(1/2×e e 1/2×(e 2/E (1-1 式中 e 彈性極限 e 彈性極限對應(yīng)的應(yīng)變 1、比值e 2/E越大越好。e高則彈性變形范圍大，低則在同樣載荷下可獲得較大變 圖（1-3）工字梁切應(yīng)力分布圖選定H=35mm ; h=24mm ; B=24mm ;取安全系數(shù)n s =1.5 =s /ns =93.3×107 pa 由于選用的是彈簧鋼，泊松比=0.149，所以 /(1+ =81.2×107 pa即 max = 8

36、1.2×107 pa剪切梁式傳感器彈性體的截面為工字梁，梁內(nèi)的切應(yīng)力可根據(jù)材料力學(xué)中的茹拉夫斯基公式計算：=Qs/Jy b (1-2 工字梁截面 1、2、3點的靜矩S 1=0 (1-3 S 2= (BH2-Bh 2/8 (1-4S 3 =(BH2-Bh 2+bh2/8 (1-5慣性矩為：J y = (BH3-Bh 3+bh3/12 (1-6將靜矩和慣性矩帶入得各點的切應(yīng)力： 1= QS1/Jy B =02=QS2/Jy B = (3Q2(H2-h 2/BH3-Bh 3+bh3 (1-7 2=QS2/Jy b = (3QB/2b (H2-h 2/BH3-Bh 3+bh3 (1-8 3=

37、QS3/Jy b = (3Q/2b (BH2-Bh 2+bh2/BH3-Bh 3+bh3 (1-9 1<2<2<3即max =381.2×107 pa (1-10 解得b 4.13mm最大彎曲內(nèi)應(yīng)力滿足max = M max / W (1-11 工字梁在根部最大彎矩為M max =FL1 (1-12 工字梁斷面系數(shù)W = BH3-Bh 3+bh3 /6H=2.298×10-6 (1-13所以工字梁的最大彎曲應(yīng)為 = 6FL1H / BH3-Bh 3+bh3 = 80.9×107pa (1-14 解得L 1 44.3mm 取L 1=44mm L 2

38、=L1-24/232mm其中，max 應(yīng)不大于許用剪切應(yīng)力，可用下式計算:=+1(N/mm2 大器，它具有阻抗高和能力強等特點，可進(jìn)一步降低漂移，增益公式：A=(1+R4/R5, 改變R 5的阻值可進(jìn)行增益的微調(diào)。改變R 2的阻值可將共模抑制比調(diào)到到最零點。由于R4R5R6決定其增益故采用高精度, 溫度系數(shù)小的多圈型垂直滑動電阻器.3.7應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片的選擇：基于應(yīng)變的特點，鉑式應(yīng)變片毫無疑問為設(shè)計的最佳選擇。選BH-5-120型應(yīng)變片，允許最大應(yīng)變：3000m, 額定電流：30mA, 柵底尺寸：310mm, 外型尺寸：310，系數(shù)2。第四章 傳感器靈敏彈性元件的設(shè)計4.1 彈性元件的選擇

39、 電阻應(yīng)變式稱重測力傳感器按照彈性元件的受力狀態(tài)可分為拉壓式 柱式、筒式和環(huán)式 、彎曲式梁式和剪切式三類。為了改善懸臂梁特性，在提高動特性的同時也增加靈敏度 ,將梁做成各種形狀，以改變其應(yīng)力分布并增強剛度，雙孔梁就是其中有代表性的一種。 雙孔梁的結(jié)構(gòu)如圖7所示, 在板狀梁上有兩個孔 ,在梁的端部有集中力作用時 ,孔內(nèi)承受彎曲變形。將應(yīng)變片粘貼在孔的內(nèi)壁 ,應(yīng)變片處于相反的應(yīng)力區(qū)內(nèi), 根據(jù)應(yīng)力分布圖可以看出 ,受力點位置變化時 ,一孔的彎矩增加，另一孔的彎矩減小，可在橋路內(nèi)自動補償，從而提高了傳感器精度，使用時對力點位置的要求也有所降低。圖7 雙孔梁結(jié)構(gòu)圖在稱重和測力領(lǐng)域 ,經(jīng)常采用拉壓式和彎曲

40、式應(yīng)變傳感器 ,該電路在精度和穩(wěn)定性上已達(dá)到一定的水平 ,但由于拉壓式稱重測力傳感器的高度直接影響精度和橫向穩(wěn)定性 ,而且力點移動對輸出信號有影響 ,拉壓對稱性差 ,尤其是當(dāng)安裝條件和標(biāo)準(zhǔn)條件不一致時 ,引起的誤差更難估計。而雙孔梁稱重測力傳感器有零彎矩區(qū) ,高度小 ,對加載方式和受力點移動不敏感 ,且抗偏心、抗側(cè)向力 ,所以我選用的稱重傳感器內(nèi)部采用雙孔梁作為彈性元件。而近年來發(fā)展起來的梁式剪切稱重測力傳感器雖然消除了受力點變化對輸出的影響 ,性能優(yōu)良, 但彈性體結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,貼片也較困難 ,故本設(shè)計沒有采用。4.2 雙孔梁受力分析力P 作用在理想位置O 處如圖8所示 圖 8 受力分析圖在圖8

41、所示的結(jié)構(gòu)中，可以把彈性體看作是上、下對稱的平行梁式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)屬于3次超靜定問題。即此結(jié)構(gòu)上的未知約束反力的數(shù)目比能列出的獨立靜力平衡方程的數(shù)目多三個。由理論力學(xué)可知：“限制物體某些運動的條件稱為約束”。物體與約束之間相互作用著力，約束給物體的力限制物體的某些運動?！凹s束給被約束物體的力稱為約束反力”。例如單懸臂梁結(jié)構(gòu)見圖9(a，其一端固定，另一端為自由端。當(dāng)自由端作用力P 時，固定端約束該梁在水平、垂直方向的移動及相對轉(zhuǎn)動。固定端給橫梁的約束用約束反力X 、Y 、' M 表示。如圖9(b所示。取坐標(biāo)系x0y ，此力系為平面一般力系，能列三個獨立平衡方程來求解三個約束反力。即：0x

42、= X=00y = 0Y P -=, Y P = 00M= ' M - PL =0, ' M PL =此結(jié)構(gòu)為靜定結(jié)構(gòu)。 根據(jù)上面分析，我們可將圖8的結(jié)構(gòu)簡化為圖9(a所示的圖9 裝置受力簡化結(jié)構(gòu)圖計算簡圖。在上、下梁的固定端作用六個約束反力，它們分別 是：1X 、1Y 、1M （作用在上梁） 2X 、2Y 、2M （作用在下梁）此力系仍是平面一般力系，僅用靜力平衡方程只能解出三個約束反力，其余三個約束反力需用材料力學(xué)辦法才能求解。求解過程較復(fù)雜，我只引用其結(jié)論，在力P 單獨作用下， 當(dāng)t1/t2很小時，有： 1X X= PL/2H(H為上下臂梁的高度1Y =2Y =P/21M

43、 =2M =PL/4載荷P 及約束反力均為作用在梁上的外力，要討論梁的變形須分析作用在梁上各橫截面上的內(nèi)力。由于此結(jié)構(gòu)上下對稱，且結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同，所受外力也相同，我只研究上梁任一橫截面上的內(nèi)力。用材料力學(xué)的分析方法，為顯示出截面上的內(nèi)力，沿面aa 假想地把梁分成兩部分，并以左段為研究對象。如圖10(b所示 圖 10 材料截面受力圖由于原來的梁處于平衡狀態(tài)，所以梁的左段仍應(yīng)處于平衡狀態(tài)。作用于左段上的力，除外力1X 、1Y 、1M 外，在截面aa 上還有右段對它的作用內(nèi)力，把這些內(nèi)力、外力分別投影于x 軸、y 軸上，其總和應(yīng)等于零。由0x =，得：10N X -= 1N X = （橫截面aa 上

44、的軸力）由0y =，得：10Y Q -= Q =1Y （橫截面aa 上的剪力）若把左段上的所有外力和內(nèi)力對截面aa 的形心O 取矩 ，其力矩總和應(yīng)等于零。一般說，這就要求在截面aa 上有一個內(nèi)力偶矩M ，由00M =得：110Y x M M -=因為在外力作用下，變形主要產(chǎn)生在梁深最小的截面附近，因此可以認(rèn)為截面A-A 在變形后仍保持為平面且該截面的轉(zhuǎn)角不影響截面右邊的應(yīng)力場，那么令A(yù)-A 截面的轉(zhuǎn)角為零?？梢哉J(rèn)為左段上的約束反力作用在A-A 截面上。由于軸力和剪力對梁的變形影響很小，故在此僅討論彎矩M 所產(chǎn)生的變形。由上式得出：11M Y x M =-將1/4M PL = 和1/2Y P =

45、 代入上式得：/4/2M PL Px =-+x =0時， /4M PL =-x = L/2時，0M =x L 時， /4M PL =根據(jù)材料力學(xué)對彎矩的符號規(guī)定：在圖11(a所示的變形情況下，彎矩為正；反之為在圖11(b所示的變形情況下，彎矩為負(fù)。由此分析可畫出上、下梁的彎矩圖，見圖5。顯然在上、下橫梁承受的彎矩情況完全一致。因為它們具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，故變形情況相同。橫梁左右兩部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)及變形量相同，但彎曲方向相反。正彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力在中性軸以上為壓應(yīng)力，在中性軸以下為拉應(yīng)力如圖11(a所示；負(fù)彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力在中性軸以上為拉應(yīng)力，在中性軸以下為壓應(yīng)力如圖11(b所示。 圖 11 彎矩產(chǎn)生的拉、壓應(yīng)力4.3 彈性元件材料選擇在任何情況下，彈性敏感元件應(yīng)該保證具有好的彈性特性、足夠的精度和穩(wěn)定性，在長期使用中和溫度變化時，都應(yīng)保持穩(wěn)定的特性，因而對材料的基本要求有以下幾個方面：（1）彈性滯后和彈性后效要?。唬?