電阻應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計(jì)說明

1、傳感器是感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)（通常為電信號(hào)）的器 件或裝置，傳感器是發(fā)展儀器儀表、自動(dòng)控制和廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)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(jiǎn)單結(jié)構(gòu)以及實(shí)際的應(yīng)用。本課程設(shè)計(jì)時(shí)間為兩周，課程設(shè)計(jì)旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，通過本實(shí)踐環(huán)節(jié)， 使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，加深對(duì)傳感器性能、檢測(cè)電路的形式與配接、信號(hào)的分析 與處理等內(nèi)容的了解，使學(xué)生對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)有感性認(rèn)識(shí)，為后續(xù)課程、畢業(yè)設(shè) 計(jì)和工程實(shí)踐服務(wù)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)原 理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性

2、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 ?。俳?jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流） ，從而完成了將外 力變換為電信號(hào)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)用于航空、機(jī)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(cè)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(diǎn)是結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，靈敏度高，性能穩(wěn)定，可靠，測(cè)量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量。尚延臣2009年 6月23日目錄第 1 章 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理

3、 11.1 稱重傳感器的組成部分 31.2 工作原理 3第 2 章 電阻應(yīng)變片的設(shè)計(jì) 42.1 應(yīng)變片的工作原理 52.2 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)選擇 52.2.1 電阻絲應(yīng)變片 . 52.2.2 箔式應(yīng)變片 . 62.2.3 半導(dǎo)體應(yīng)變片 62.3 應(yīng)變片的材料選擇 72.3.1 電阻敏感柵材料選擇 . 72.3.2 基底、引出線材料選擇 . 82.4 應(yīng)變片的參數(shù) 92.4.1 應(yīng)變片基長(zhǎng) . 92.4.2 應(yīng)變片的電阻值 92.4.3 應(yīng)變片的絕緣電阻、允許電流、應(yīng)變極限 . 9第 3 章 傳感器彈性元件的設(shè)計(jì) 113.1 彈性元件的選擇 113.2 雙孔梁受力分析 113.3 彈性元件材料選擇

4、143.4 雙孔梁的尺寸選擇 15第 4 章 變換檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 164.1 橋路的設(shè)計(jì) 174.2 放大電路的設(shè)計(jì) 184.3 檢波、濾波電路的設(shè)計(jì) 184.4 其他電路的設(shè)計(jì)與選擇 19第 5 章 傳感器的工藝設(shè)計(jì) 205.1 應(yīng)變片的粘貼工藝 . 205.2 傳感器的封裝 . 215.3 傳感器裝配 21第 6 章 誤差源分析以及處理 . 21第 7 章 小結(jié) 23參考文獻(xiàn)電阻應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計(jì)第1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(dòng)態(tài)條件下測(cè)力或稱重，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過程檢測(cè)與控制、自動(dòng)計(jì)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(jì)

5、量準(zhǔn)確度的主要因素。在實(shí)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(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及穩(wěn) 定的運(yùn)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(yùn)行的關(guān)鍵。1.1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(cè)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(gè)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(cè)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(bǔ)償問題，其功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

6、相應(yīng)的電信號(hào)輸出。1.2工作原理稱重傳感器的基本電路如圖1所示可以推出：Uo (R2R4 RR)Ui/(R1 R2XR3 R4)式中 R、R2、R3、R4為應(yīng)變片電阻；Ui為傳 感器的輸入信號(hào)；U。為傳感器的輸出信號(hào)。當(dāng)R2R4 RR3時(shí),我們稱之為電橋平衡,這時(shí)圖1基本電路圖稱重傳感器的輸出電壓U 0 = QmV>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)生變化 （ 增大或減小 ） 。再經(jīng)相應(yīng)的檢測(cè)電路 , 把這一電阻變化轉(zhuǎn)換 為電信號(hào) （ 電

7、壓或電流 ） 輸出 , 從而完成將外力變換為電信號(hào)的過程。設(shè) R1=R2 =R3=R4 = 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：Ri、R3分別減小 R , R2、R4分別增大 R時(shí)可以推出傳感器的輸出電壓為 : U0 RUi / R第2章電阻應(yīng)變片的設(shè)計(jì)2.1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(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)、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dR/R (1 2 ) x d /則金屬絲靈敏系數(shù)KsdR/Rx(

8、1 2 )故有R/R Ks x另外由于應(yīng)變片存在橫向效應(yīng)，因而對(duì)于應(yīng)變片R/ R K x其中K p Ks2.2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。電阻絲應(yīng)變片此絲式結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)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(diǎn)：制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜、易于粘貼。缺點(diǎn)：回線式應(yīng) 變片橫向效應(yīng)大，而短接式應(yīng)變片焊點(diǎn)多，在沖擊、振動(dòng)條件下，易在焊接處出現(xiàn)疲勞破 壞，對(duì)制造工藝的要求高。222箔式應(yīng)變片此箔式應(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(diǎn)：（1）制造技術(shù)能保證敏

9、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(cè)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(hào)；（5）敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；（6）蠕變、機(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。缺點(diǎn)：工藝制作有些復(fù)雜。半導(dǎo)體應(yīng)變片此半導(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(diǎn)：靈敏系數(shù)大，動(dòng)態(tài)特性好缺點(diǎn)：重復(fù)性及溫度、時(shí)間穩(wěn)定性較差，應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)重，互換性差?？偨Y(jié)以上典型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)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

10、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2.3應(yīng)變片的材料選擇電阻應(yīng)變計(jì)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(cè)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(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示54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2.3.1電阻敏感柵材料選擇敏感柵合金材料的選擇對(duì)制造電阻應(yīng)變計(jì)性能好壞起著決定性的作用，因此它的材料選擇要求如下

11、：（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，電阻一溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好，并有足夠的熱穩(wěn)定性；（4）機(jī)械強(qiáng)度高，加工性能和焊接性能良好，與引線材料接觸電勢(shì)?。唬?）電阻變化率 R/R與機(jī)械應(yīng)變 具有良好而又寬廣的線性關(guān)系；（6）抗氧化、腐蝕性能強(qiáng)，無明顯機(jī)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(shí)，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(duì)這幾種材料的性能、成本對(duì)比，我選擇康銅作為敏感柵材 料。康銅的性能如下 :合金成分 / %

12、：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線膨脹系數(shù) : 15*10對(duì)銅熱電勢(shì)/卩V/C : 43最高使用溫度/ r :靜態(tài):250 動(dòng)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(shí)它的 Ks 值對(duì)應(yīng)變值的穩(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(jì)靈敏系數(shù)K=2,且其測(cè)量范圍大。同時(shí)對(duì)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

13、一特性可以制造溫度補(bǔ)償 電阻應(yīng)變計(jì)。而且該材料制作的應(yīng)變片尤適合長(zhǎng)時(shí)間、大應(yīng)變測(cè)量。2.3.2 基底、引出線材料選擇基底的作用是固定應(yīng)變計(jì)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?cè)酱蟆Ｍǔ＿x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(duì)基底材料性能的要求是：（1）機(jī)械強(qiáng)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?；?）無滯后和蠕變。 玻璃纖維增強(qiáng)基底應(yīng)變計(jì)長(zhǎng)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(cè)力或稱重傳感器上，因而我們

14、選用玻璃纖維布作為基底材料。 引出線是連接敏感柵和測(cè)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(jì)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2.4應(yīng)變片的參數(shù)241 應(yīng)變片基長(zhǎng)X / 10為了使測(cè)量誤差減小，將sin 一1-展開為級(jí)數(shù)，并略去高階小量后，可得2 21丄 1山6 6三者的關(guān)粘貼在一定材料試件（為常量）上的應(yīng)變片，對(duì)正弦波的響應(yīng)誤差隨柵長(zhǎng)10和頻率 的增加而增大。因而在設(shè)計(jì)、應(yīng)用應(yīng)變片時(shí)，就可按上式給定的e、10系，根據(jù)

15、給定的精度e，來確定合理的10或工作頻率fmax，即lo 1max -6 emaxf6 elo其基長(zhǎng)10應(yīng)盡量選取短的，這樣可以更真實(shí)地測(cè)出被測(cè)部位的應(yīng)變值，以提高測(cè)量精度。對(duì)于鋼材，5000m/s，若令精度e °*5%，最高工作頻率fmax 25kHz代入上式可得1max e :.；6e1.1cm10f故我取應(yīng)變片柵長(zhǎng)10 1cm。應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片的電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(cè)定 的電阻值，也稱為原始電阻值，單位為。應(yīng)變片電阻值國(guó)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 Q 或350 Q的應(yīng)

16、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(shí) 間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)測(cè)量信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，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(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性。因此，在考慮價(jià)格因素的前提下，使用大阻值應(yīng)變片， 對(duì)提高傳感器精度是有益的。我選用阻值為120 Q的應(yīng)變片。應(yīng)變片的絕緣電阻、允許電流、應(yīng)變極限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(cè)量靈敏度的下降，并帶來測(cè)量誤差，產(chǎn)生零點(diǎn)漂移等。因而要盡量選用基底絕緣性能好的應(yīng)變計(jì)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(cè)量精度，應(yīng)變片允許通過的最大電流。它與應(yīng) 變

17、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(jì) 算。為了保證測(cè)量精度在靜態(tài)時(shí)允許電流一般為25mA在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)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(duì)于已安裝好的應(yīng)變計(jì)，在一定溫度下，指示應(yīng)變與被測(cè)試件真實(shí)應(yīng)變的相 對(duì)誤差不超過一定值（一般為 10%）時(shí)，所能測(cè)量的最大真實(shí)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 1000X 10-6。第3章傳感器彈性元件的設(shè)計(jì)3.1彈性元件的選擇電阻應(yīng)變式稱重測(cè)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大類。為了改善懸臂梁的特性，在提高動(dòng)特性的同時(shí)也增加 靈敏

18、度，將梁做成各種形狀，以改變其應(yīng)力分布并增強(qiáng)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(gè)孔，在梁的端部有集中力作用時(shí)，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)，當(dāng)和的變形為拉伸 時(shí)，和 為壓縮變形，四個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)電橋，輸出特性的線性度好。另外，這種梁的 剛度比單梁好，故動(dòng)特性好，滯后小。根據(jù)應(yīng)力分布圖可以看出，受力點(diǎn)位置變化時(shí)，一 孔的彎矩增加，另一孔的彎矩減小，可在橋路內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)償，從而提高了傳感器精度，使用 時(shí)對(duì)力點(diǎn)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(cè)力領(lǐng)域,經(jīng)常采用拉壓式和彎曲式應(yīng)變傳感器，該電路在精度和穩(wěn)定性

19、上已達(dá)到一定的水平，但由于拉壓式稱重測(cè)力傳感器的高度直接影響精度和橫向穩(wěn)定性 而且力點(diǎn)移動(dòng)對(duì)輸出信號(hào)有影響，拉壓對(duì)稱性差，尤其是當(dāng)安裝條件和標(biāo)準(zhǔn)條件不一致時(shí)，引起的誤差更難估計(jì)。而雙孔梁稱重測(cè)力傳感器有零彎矩區(qū)，高度小，對(duì)加載方式和受力點(diǎn)移動(dòng)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(cè)力傳感器雖然消除了受力點(diǎn)變化對(duì)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(jì)沒有采用。3.2雙孔梁受力分析力P作用在理想位置0處如圖8所示圖8受力分析圖在圖8所示的結(jié)構(gòu)中，可以把彈性體看作是上、下對(duì)稱的平行梁式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)屬于3

20、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(dú)立靜力平衡方程的數(shù)目多三個(gè)。由理論力學(xué)可知：“限制物體某些運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)?！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(shí)，固定 端約束該梁在水平、垂直方向的移動(dòng)及相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。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xOy，此力系為平面一般力系，能列三個(gè)獨(dú)立平衡方程來求解三個(gè)約束反力。即：x 0X=0y 0Y P 0, Y PM0 0 M'- PL =0,M'

21、 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(jiǎn)化為圖9(a)所示的圖9裝置受力簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖計(jì)算簡(jiǎn)圖。在上、下梁的固定端作用六個(gè)約束反力，它們分別是：Xi、Yi、Mi (作用在上梁)X、丫2、M2 （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(gè)約束反力，其余三個(gè)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(dú)作用下,當(dāng)t1/t2很小時(shí)，有：Xi = X= PL/2H（H為上下臂梁的高度）Yi =丫2 =P/2Mi =M2 =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(duì)稱

22、，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(duì)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Xi、丫、Mi外，在截面aa上還有右段對(duì)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 x 0，得：N Xi 0 N Xi（橫截面aa上的軸力）由 y 0，得：丫 Q 0 Q=Y（橫截面aa上的剪力）若把左段上的所有外力和內(nèi)力對(duì)截面 aa的形心0取矩，其力矩總和應(yīng)等于零。一般說,這就要求在

23、截面aa上有一個(gè)內(nèi)力偶矩M,由 M00得:因?yàn)樵谕饬ψ饔孟?，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(chǎng)，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(duì)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：M Yx M1將Mj PL/4和¥P/2 代入上式得：M PL/4 Px/2x =0 時(shí)， M PL/4x = L/2 時(shí)，M 0x = L 時(shí)， M PL/4根據(jù)材料力學(xué)對(duì)彎矩的符號(hào)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

24、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?yàn)樗鼈兙哂邢嗤慕Y(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3.3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(zhǎng)期使用中和溫度變化時(shí)，都應(yīng)保持穩(wěn)定的特性，因而對(duì)材料的基本要求有以下幾個(gè)方 面：(1) 彈性滯后和彈性后效要小；(2) 彈性模量的溫度系數(shù)要??；(3) 線膨脹系數(shù)要小并且要穩(wěn)定；(4) 有良好的

25、機(jī)械加工和熱處理性能;(5) 彈性極限和強(qiáng)度極限要高。彈性元件常用幾種材料的機(jī)械、物理性能如表3-1所示表3-1幾種常用材料的機(jī)械、物理性能名稱結(jié)構(gòu)鋼鋁合金牌號(hào)40CrNiMo30CrM nSiNi2A30CrM nSiALC4LY12彈性模量E105 N/mm22. 082. 101. 980. 710. 71抗拉強(qiáng)度c bN/mrn132016001100580490屈服強(qiáng)度c0.2N/mrn1260850500360線膨脹系數(shù)a10-6/C(0100 C)11. 411. 023. 122. 7彈性模量的溫度系數(shù)aE(10-4/ C)2. 03. 0-5.36. 9材料密度P7. 807

26、. 852.32. 78比較這幾種材料我發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)鋼中30CrM nSiA則是多用于制造小尺寸的彈性元件，其淬火時(shí)的淬透性差，而40CrNiMo與30CrMnSiNi2A在很多方面性能均相似，但40CrNiMo是 測(cè)力傳感器彈性元件最常用的材料 LC4和LY12都屬于硬鋁合金，它們均適合制造小量程測(cè)力傳感器及動(dòng)態(tài)傳感器的彈性元件。因而我最終選用LC4材料作為彈性元件的材料。3.4雙孔梁的尺寸選擇設(shè)貼應(yīng)變片處的梁孔的截面的寬度為 b,高度為h則W bh2/6 而 E=0.71Gpa K=2.2由于此傳感器的量程為0-50N在四處貼應(yīng)變處最大的應(yīng)變?yōu)?(PL/2 M )/ EW其中Pmax =50N

27、 M PL/4假設(shè)暫定 L2=120mm L=80mm b=44mm h=3mm H= 46mm則W=66 代入式子1(50 120 M)/EW得:1 =1494X 10 6< 1500X 10符合要求。第 4 章 變換檢測(cè)電路設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻?多優(yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳 感器的補(bǔ)償問題等。4.1橋路的設(shè)計(jì)由于電阻應(yīng)變敏感元件的溫度特性不完全相同，彈性元件各處的材料性能也有差異， 當(dāng)溫度變化時(shí)，電橋就會(huì)有輸出，造成測(cè)量誤差，主要有兩主要因素造成的：(1) 溫度變化引起應(yīng)變片敏

28、感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變(2) 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，式應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變它有兩種現(xiàn)象，一種是不受載荷時(shí)，溫度變化，電橋就有輸出，成為“零漂”；另一種是在有負(fù)載時(shí)，電橋的輸出靈敏度隨溫度變化而變化，稱為“動(dòng)漂”。因此，在橋路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將這些因素考慮在內(nèi)。于是我就設(shè)計(jì)交流全橋式等臂電橋電路。圖12全橋式等臂電橋電路初始狀態(tài)：R仁R2 R3=R4當(dāng)應(yīng)變片感受到應(yīng)變時(shí)電橋輸出電壓Uo Ui R/R由3.2節(jié)知：如果把應(yīng)變片組成全橋式等臂電橋電路路，如圖12所示，橋路輸出為:Uo UiK( 1234)/4 UiK(1)1 (PL2 M)/EW 2 (PL1 M)/EW3(PL2 M)/

29、EW 4 (PL1 M) / EW帶入(1)式得：Uo UjKPL/2EW其中：K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；為力P作用下貼片處的應(yīng)變量。采用此電橋電路的理由如下：(1) 此類電橋電路的靈敏度高，是單一工作應(yīng)變片工作時(shí)的4倍(2) 輸出輸入呈線性，沒有非線性誤差(3) 能夠溫度補(bǔ)償，大大減小因溫度而造成的誤差4.2放大電路的設(shè)計(jì)由于此傳感器的電橋輸出阻抗很高，這就需要一個(gè)輸入阻抗同樣很高的放大電路與之匹 配，并且此放大電路的輸出阻抗應(yīng)該較小。據(jù)此，我選擇設(shè)計(jì)雙運(yùn)放高共模抑制比同相串 聯(lián)結(jié)構(gòu)放大電路，如圖13為獲得零共模增益，圖13同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)放大電路應(yīng)使R, / R2 R3/ R,電路的差動(dòng)閉環(huán)增

30、益為：Kd 1 R3/R4確定了 P=50N K=2.2 L=80mm E=0.71Gpa W bh2/6 =66 代入公式 U0 UjKPL/2EW 得：U077.5Ui 10 5故當(dāng)輸入 "max 12V時(shí) U。8.54mv因此要得到足夠的功率去推動(dòng)指示儀表或記錄器，若經(jīng)放大電路輸出的信號(hào)最大值Uimax 12V 則此放大電路的增益Kd 2 103/8.54234由于Kd 1 R3/R4放大部分的增益設(shè)為117則 R3/R4=116 取&=100Q R4=11.6k Q 那么對(duì)應(yīng)的 R=11.6k QR2=100Q4.3檢波、濾波電路的設(shè)計(jì)經(jīng)過放大以后的波形仍為調(diào)幅波，必

31、須用檢波器將它還原為被檢測(cè)應(yīng)變信號(hào)的波形。而一般的檢波器只有單向的電壓輸出，不能區(qū)別拉壓應(yīng)變信號(hào)。因此，我采用能克服上述缺點(diǎn)的相敏檢波器，它可以有雙向信號(hào)輸出，能反映出應(yīng)變的拉或者壓。其電路如圖14U1/ R1R2C1C2其放大增益K f 215圖14精密整流型全波相敏檢波電路其放大增益設(shè)為1則 對(duì)應(yīng)的電阻阻值為： R3 2R3 2R4240 氏 R R?120 C 1 f由相敏檢波電路輸出的被檢測(cè)應(yīng)變波形中仍殘留有載波信號(hào)，必須濾掉，方能得到被 檢測(cè)應(yīng)變信號(hào)的正確波形。一般用電容，電感組成二型低通濾波器。對(duì)濾波器的特性要求，要考慮到和前級(jí)相敏檢波電路的匹配，又要考慮和后級(jí)記錄器的匹配。由于它

32、要濾去高頻波中頻率最高分量，即是載波頻率，而一般被測(cè)應(yīng)變信號(hào)?率比 小很多，故濾波電路的截止頻率只要在（0.30.4），就可滿足頻率特性要求。所以我在這里選用壓控電壓源型二階低通濾波電路，電路如圖我選擇設(shè)計(jì)截止頻率為80HZ的低通濾波電路，其參數(shù)如下:1.R|R2C|C2503rad/s 則 RfR 2.4kR1R2R 20kC1 C2 C 0.1 f4.4其他電路的設(shè)計(jì)與選擇由濾波電路輸出的應(yīng)變信號(hào)，要用合理的顯示裝置顯示出來，因此，我選用七段譯碼顯示器及CD4511如圖16(b)&IT<11 l|l 丟rs1- a:I匕I 口診卜 J 爲(wèi)（a）暫 計(jì)4_I圖16顯示結(jié)構(gòu)部件第

33、5章 傳感器的工藝設(shè)計(jì)5.1應(yīng)變片的粘貼工藝在處理好底層的彈性元件上，劃好貼片的定位線，經(jīng)清洗和干燥后，在貼片處均勻地 涂一層貼片膠，適當(dāng)時(shí)間后按給定的方位將應(yīng)變計(jì)準(zhǔn)確地放在粘貼部位上，而后在應(yīng)變計(jì) 上蓋上一層氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一個(gè)方向碾壓，擠出氣泡和過量的粘接劑，保 證膠層薄而均勻。然后在上面放一塊硅橡膠并用夾具夾緊放入干燥箱進(jìn)行固化處理。貼片時(shí)膠層的厚度必須嚴(yán)加控制，片基和粘接劑膠層厚度對(duì)于減少蠕變有非常重要的 影響，并也使粘結(jié)強(qiáng)度增高，更能準(zhǔn)確地傳遞試件的應(yīng)變。在實(shí)際工藝過程中膠層的厚度 還受到其它因素的限制，例如絕緣電阻，因而也下能無限制地薄，否則將降低其絕緣電阻 造成傳感器

34、性能不穩(wěn)定。貼片之后應(yīng)進(jìn)行初步檢查，檢查基底，蓋底有無損壞，敏感柵是否變形，貼片方位是 否正確，有無斷路、短路，有無氣泡，有無局部未貼牢，貼片后電阻值變化不能太大(般變化不大于土 0.5 Q )等。粘貼后的結(jié)構(gòu)如圖17圖17應(yīng)變片的粘貼位置5.2傳感器的封裝傳感器封裝是為了保護(hù)電阻應(yīng)變敏感元件和彈性元件不受周圍化學(xué)活性介質(zhì)的影響， 同時(shí)固定引線等。對(duì)于易受濕度影響的傳感器，我們采用密封裝置，這樣才可以保證該傳 感器在灰塵、腐蝕氣體等環(huán)境下長(zhǎng)期使用時(shí)的精度。具體密封方法是：采用柔軟、彈性模量不變的橡膠波紋膜或金屬波紋膜將應(yīng)變敏感元 件及彈性元件與外界隔離；采用材料與彈性元件具有相同線膨脹系數(shù)或采

35、用相同材料作為 外殼，通過電子束焊或激光焊將彈性元件上的膜片焊接在外殼上，并在其中沖入惰性氣體，在此過程中一定得注意焊接必須可靠，否則會(huì)由于密封失靈和膜片支承變化造成傳感器靈 敏度的變化。同時(shí)，接線插座或電纜線需要密封，方法是采用絕緣材料將接線插座或電纜 鑄在里面，一端與應(yīng)變敏感元件的引出線焊接，另一端接插頭或焊接測(cè)量導(dǎo)線。5.3傳感器裝配裝配如附件三 尺寸已經(jīng)標(biāo)注到裝配圖紙上。第6章誤差源分析以及處理稱重傳感器在無外載荷作用時(shí)的輸出稱為零點(diǎn)輸出零點(diǎn)輸出受環(huán)境溫度的影響隨環(huán)境溫度的 變化而變化，這稱之為零點(diǎn)溫度漂移引起稱重傳感器零點(diǎn)溫度漂移的因素產(chǎn)生此溫度漂移的原因:(1) 彈性元件電阻應(yīng)變計(jì)

36、應(yīng)變粘結(jié)劑的單線膨脹系數(shù)不同彈性元件的縱向和橫向膨脹率不同 電阻應(yīng)變計(jì)基底和應(yīng)變粘結(jié)劑底膜的厚度不同在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱脹冷 縮使電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵仁, 長(zhǎng)或縮短引起電阻值變化（2）電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)不為零各電阻應(yīng)變計(jì)之間又有一定的分散度而且 敏感柵材料的電阻率也隨環(huán)境溫度而變化這都會(huì)引起電阻的改變（3）由于各電阻應(yīng)變計(jì)的引出線及連接導(dǎo)線的長(zhǎng)度不同溫度變化可引起電橋?qū)Ь€的電阻變化（4）不同材料如康銅鎳等焊點(diǎn)之間存在著較小的熱電勢(shì)也可以引起電阻變化（5）彈性元件與外殼的溫度系數(shù)不同彈性元件曲率的影響大氣壓波動(dòng)等影響。雖然比上述各 項(xiàng)影 響小但也會(huì)使電阻值稍有變化

37、。對(duì)于這些誤差，在橋路設(shè)計(jì)以及后續(xù)電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)采取相應(yīng)措施。 另外，影響稱重傳感器穩(wěn)定性的因素主要有：（1）稱重傳感器的結(jié)構(gòu) 稱重傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設(shè)計(jì)，都必須保證受載后在 結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生性能波動(dòng)，或性能波動(dòng)很小。為此在稱重傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量作到應(yīng)變區(qū) 受力單一，應(yīng)力均勻一致；貼片部位最好為平面；在結(jié)構(gòu)上保證具有一定的抗偏心載荷和 側(cè)向載荷的能力；安裝力遠(yuǎn)離應(yīng)變區(qū)，測(cè)量時(shí)應(yīng)避免載荷支承點(diǎn)的位移。盡管稱重傳感器 屬于裝配制造產(chǎn)品，但為了保證具有最佳技術(shù)性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，盡可能將它設(shè)計(jì)成一個(gè) 整體結(jié)構(gòu)。（2）機(jī)械加工與熱處理工藝 彈性元件在機(jī)械加工過程中，由于表面變形

38、的不均勻產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，切削用量 越大，殘余應(yīng)力就越大，磨削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大。因此應(yīng)制訂合理的加工工藝和規(guī) 定適當(dāng)?shù)那邢饔昧?。彈性元件在熱處理過程中，由于冷卻溫度不均勻和金屬材料相變等原 因，在芯部和表層產(chǎn)生方向不同的殘余應(yīng)力，其芯部為拉應(yīng)力，表層為壓應(yīng)力。必須通過 回火處理工藝，在其內(nèi)部產(chǎn)生方向相反的應(yīng)力，與殘余應(yīng)力相互抵消，減少殘余應(yīng)力的影 響。（3）電阻應(yīng)變計(jì)與應(yīng)變粘結(jié)劑 電阻應(yīng)變計(jì)應(yīng)具有最佳性能，要求靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，熱輸出小， 機(jī)械滯后和蠕變小， 應(yīng)變量為1500X 10-6時(shí)疲勞壽命可達(dá)108，電阻值偏差小，批次質(zhì)量均一性好等。應(yīng)變粘結(jié)劑應(yīng)具有粘結(jié)強(qiáng)度大，抗剪強(qiáng)度高；彈性

39、模量較大且穩(wěn)定；電絕緣性能好； 具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹系數(shù)；蠕變和滯后??；固化時(shí)膠層體積收縮小等。粘 貼電阻應(yīng)變計(jì)時(shí)一定要嚴(yán)格控制膠層厚度，因?yàn)檎辰Y(jié)強(qiáng)度隨膠層厚度的增加而降低。這是 由于薄的膠層需要更大的應(yīng)力才能變形，不易產(chǎn)生流動(dòng)和蠕變，界面上的內(nèi)應(yīng)力很小，產(chǎn) 生氣泡和缺陷的幾率也比較小，應(yīng)變傳遞性能好，只要防護(hù)密封合理就可達(dá)到較高的穩(wěn)定 性水平。（4）制造工藝流程應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理和總體結(jié)構(gòu)決定了，在生產(chǎn)工藝流程中有些工序必須手 工操作，人為的因素對(duì)稱重傳感器的質(zhì)量影響較大。因此必須制訂科學(xué)合理并可重復(fù)的制 造工藝流程，并在其中增加電子計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化或半自動(dòng)化工序，盡量減少人為因素 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。（5）電路補(bǔ)償與調(diào)整應(yīng)變式稱重傳感器屬于裝配制造，貼片組橋后就形成了產(chǎn)品，由于內(nèi)部不可避免的產(chǎn) 生一