1、基于電阻應變片的S型稱重傳感器設計 1.緒論1.1設計的任務及要求1. 正確選取電阻應變片的型號、數量、粘貼方式并連接成電橋；2. 選取適當形式的彈性元件，完成其機械結構設計、材料選擇和受力分析，并根據測試極限范圍進行強度校核；3. 完成傳感器的外觀與裝配設計；4. 完成應變電橋輸出信號的后續電路的設計和相關電路參數計算，繪制電路原理圖（4號圖紙）；5. 按學校課程設計說明書撰寫規范提交一份課程設計說明書（6000字左右）；按機械制圖標準繪制彈性元件圖（4號圖紙）,機械裝配圖各一張（3號圖紙）；1.2設計的目的意義及發展趨勢隨著社會的發展，人們對傳感器的測量精度，測量范圍以及對環境的適應程度都

2、提出立新的要求。本設計為雙梁S型稱重傳感器，具有精度高、雙向承載、便于安裝等特點。在配料秤、機電結合秤、吊鉤秤、包裝秤、材料力學實驗機等設備力值的測量及控制上有著十分廣泛的應用。2. 電阻應變片式傳感器的工作原理及特點電阻應變片式傳感器是把非電物理量轉化為電阻變化的一種傳感器。它將具有電阻應變小英的金屬絲接入電路，利用金屬絲的電阻隨著其所受的機械變形而發生相應的變化特性來改變電路的輸出電壓或電流，并經過相應的測量電路進行轉化，從而實現力的測量。電阻應變片式傳感器主要有以下特點： （1）測量靈敏度和精度高，測量范圍大； （2）使用壽命長，性能穩定可靠，適應性強； （3）結構簡單，尺寸小，質量輕；

3、 （4）易于實現測試過程自動化和多點同步測量、遠距離測量和遙測；3雙梁S型傳感器設計方案3.1電阻應變片的選擇3.1.1電阻應變片的工作原理電阻應變片的工作原理是金屬的電阻應變效應，即金屬絲的電阻隨它所受機械變形而發生相應的變化的現象。設金屬絲在自由狀態下的電阻為 （1）其中R為電阻，為電阻率，為金屬絲長度，S為金屬絲截面積。當金屬絲因受拉爾伸長時，其電阻發生變化，對式一進行全微分可以得到： （2）則電阻的相對變化為： （3）式中，為金屬絲長度的相對變化，根據材料力學，它等于金屬絲軸向應變；為截面積的相對變化，因為，所以，稱為金屬絲徑向應變，（為材料的泊松系數）；為電阻率的相對變化。則由以上參

4、數的定義，式3可以等效為 （4）所以靈敏度系數為 （5）并且實驗證明，在金屬絲的彈性變形范圍內，與軸向應變成正比，所以為常數。即就是: (6)式6表明，金屬絲的軸向應變與其電阻相對變化成正比，金屬絲收到拉力將產生應變，電阻值現行減小。3.1.2應變片種類的選擇電阻應變片分為很多類，一般常見的有金屬絲是應變片，金屬箔式應變片以及金屬薄膜式應變片。本次設計中我采用金屬箔式應變片，主要有以下原因：6. 金屬箔式應變片能保證線柵尺寸的準確，線條均勻，在生產時，電阻值離散成都小；7. 敏感柵薄而寬，粘貼性能好，傳遞試件應變性能好；8. 散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而提高了輸出靈敏度；9. 敏感

5、柵彎頭橫向效應可以忽略；10. 蠕變、機械滯后較小，抗疲勞壽命長；3.1.3應變片材料的選擇3.1.3.1 敏感柵材料的選擇 對于敏感柵材料，為保證與有良好而且寬廣的線性關系，要求材料靈敏度系數Ks和電阻率要盡可能大而穩定；為了減小溫度誤差的影響，要求材料的電阻溫度系數小，且電阻溫度間的線性關系和重復性要好；并且在彈性元件的選擇中我選擇國內目前應用最多的30CrMnSiA,其線性膨脹系數為，為了在應變片中實現溫度自補償，則應變片敏感柵必須盡量滿足： （7）綜合以上因素，對比常見的幾種敏感柵材料可知選擇康銅作為敏感柵材料最為合適。3.1.3.2 基底材料的選擇基底是電阻應變片制造和應用的重要組成

6、部分，承擔著固定保持敏感柵的形狀、傳遞被測應變的任務，因此對基地材料的要求機械強度及撓性好、粘貼性能好、電絕緣抗濕性好，物質后和蠕變。常用的有紙基和膠基兩大類，本次設計中我選用膠基中的環氧作為基底材料。其具有可耐高溫、抗濕性能好測量使用時間長等優點3.1.3.3粘接劑的選擇粘接劑是連接構件表面和應變片的重要物質，粘接劑和應變片的粘接技術對于測量結果有著直接的影響，要求粘接劑材料有一定的粘接強度，能準確傳遞應變；對彈性元件和應變片不產生化學腐蝕作用；蠕變、機械之后誤差??；且有較寬的使用溫度范圍和良好的耐疲勞、抗老化性能。綜合以上要求，本次設計中我選用環氧樹脂酸粘接劑，其溫度適用范圍為-60+80

7、度，滿足本次要求的-30+60度，同時他還有較好的抗濕、抗老化能力，且成本較低。是理想的粘接劑。3.1.4應變片電阻值的選擇對于傳感器用的應變片，一般阻值都選用。3.1.5應變片靈敏度系數的選擇對于一般的應變片來說靈敏度系數越大，其輸出就越大。但是大部分應變片的K值為2 ，在本次實際中我也選擇K為2的應變片，并且在上面選擇了康銅作為敏感柵材料，已經符合了設計要求。綜合以上對敏感柵、基底及阻值的選擇要求、使用環境溫度以及S型傳感器受力均勻的特點，在本設計中我選擇型號為BH3501AA箔式應變片。3.2彈性元件的設計計算3.2.1 彈性元件的設計圖1 力的計算簡化圖 如上圖所示，為了便于S型傳感器

8、彈性體的計算，可以把彈性體簡化為一端固定，另一端只沿力作用方向移動而不能轉動的二度靜不定梁。若為單梁其應力計算如下：, , ,且對于不定梁有所以有 (8) （9）由于應變片不是貼在根部，而是貼在孔壁最薄的位置，且所選傳感器為雙梁，所以每根梁上受力為,所以有 (10)載荷力（一般為最大力的1.5倍，本次為1500kg）；梁端部到中心的距離（本次選擇量程為1t,則L設為14mm）；應變片的基長（本次選用的應變片基長為4.0mm）;梁端到應變片的距離；梁的厚度；梁的寬度（本次梁的寬度為40mm）； 彈性模量（30CrMnSiA的彈性模量為2.1*1011pa）；彎矩；彎矩模量；材料應力(30CrMn

9、SiA的材料應力為1.65*109pa將數據帶入得：在本次設計中取，因此有:3.3.2彈性元件的強度校核由于 , （11）所以有：根據第一強度理論：則該材料可以滿足強度要求，故彈性元件總的示意圖如下：圖2 彈性元件圖圖3.3雙梁S型稱重傳感器電阻應變片的布置與安裝3.3.1應變片的結構 應變片的結構示意圖如下：圖3 應變片結構示意圖上圖中，L為應變片的基長，D為基寬。L*D為應變片的面積。根據本次選擇，其規格為,3.3.2 應變片的安裝與布置應變片在彈性元件上的安裝如下圖：圖4 應變片布置示意圖在圓孔應變最大的的45度和135度方向上各安裝兩個應變片，實現測量。3.4測量電路的設計計算3.4.

10、1 電橋電路的設計與計算由于電阻應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，當溫度變化時，電橋就會有輸出，造成測量誤差，主要有兩主要因素造成的：（1）溫度變化引起應變片敏感柵電阻變化而產生附加應變（2）試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數不同，式應變片產生附加應變。它有兩種現象，一種是不受載荷時，溫度變化，電橋就有輸出，成為“零漂”；另一種是在有負載時，電橋的輸出靈敏度隨溫度變化而變化，稱為“動漂”。因此，在橋路設計時應將這些因素考慮在內。于是我設計了四臂差動電橋，其示意圖如下：圖5 電橋示意圖設初值,工作時各個橋臂變化為,則可得： （12）差動工作時，,則輸出為: （13）

11、在本次設計中，K=2，Ui=5V,W=500HZ,=1.15mm; 所以當加載最大荷載1t時，輸出電壓Uo=2*5*1.15=11.5mv;3.4.2放大電路的設計與計算由于設計要求此傳感器的輸出阻抗為350,不是很高，這就需要一個輸入阻抗同樣的放大電路與之匹配，并且此放大電路的輸出阻抗應該較小。因此我選用三運放高共模抑制比電路。設計其電路圖如下：圖6 高共模抑制比電路 在上圖中，為了抑制公模電壓，并達到差模電壓放大的目的將各電阻阻值設定為阻值設定為：; 因此有：3.3.4相敏檢波電路經過放大以后的波形仍為調幅波，必須用檢波器將它還原為被檢測應變信號的波形。而一般的檢波器只有單向的電壓輸出，不

12、能區別拉壓應變信號。因此，我采用能克服上述缺點的相敏檢波器，它可以有雙向信號輸出，能反映出應變的拉或者壓。其放大增益設為1，所以只是起到檢波作用，無放大效果。則其對應的電阻值為R1=R2=R3=R4=R5=R6/2=1.電路圖如下： 圖7 相敏檢波電路 如上圖：當VCC1=1時，Q2導通，Q1截止，同相輸入端接地，Us從反相輸入端輸入，放大倍數為.當VCC2=1，VCC1=0時，Q2截止，Q1導通，反相輸入端通過R3接地，Us從同相輸入端輸入，放大倍數為:從而實現了相敏檢波。3.2.5低通濾波電路 由相敏檢波電路輸出的被檢測應變波形中仍殘留有載波信號，必須濾掉，方能得到被檢測應變信號的正確波形

13、。一般用電容，電感組成二型低通濾波器。對濾波器的特性要求，要考慮到和前級相敏檢波電路的匹配，又要考慮和后級記錄器的匹配。由于它要濾去高頻波中頻率最高分量，即是載波頻率，而一般被測應變信號頻率比小很多，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。所以在這里我選用無線增益多路反饋型低通濾波電路。其示意圖如下： 圖8 低通濾波電路 其放大增益 而載波信號頻率定為500HZ 則此濾波器的截止頻率為150200HZ，我選擇設計截止頻率為200HZ的低通濾波電路，其參數如下：R1=R3=10K, R2=2.5K,C1=C2=1;則其增益為：；截止頻率3.2.6電路總圖的設計 圖9 電

14、路總圖4 誤差源分析以及處理稱重傳感器在無外載荷作用時的輸出稱為零點輸出零點輸出受環境溫度的影響隨環境溫度的變化而變化，這稱之為零點溫度漂移引起稱重傳感器零點溫度漂移的因素，產生此溫度漂移的原因： （1）彈性元件電阻應變計應變粘結劑的單線膨脹系數不同 彈性元件的縱向和橫向膨脹率不同電阻應變計基底和應變粘結劑底膜的厚度不同在環境溫度發生變化時都會產生不同程度的熱脹冷縮使電阻應變計敏感柵仁, 長或縮短引起電阻值變化（2）電阻應變計敏感柵材料的電阻溫度系數不為零各電阻應變計之間又有一定的 分散度而且敏感柵材料的電阻率也隨環境溫度而變化這都會引起電阻的改 變（3）由于各電阻應變計的引出線及連接導線的長

15、度不同溫度變化可引起電橋導線 的電阻變化（4）不同材料如康銅鎳等焊點之間存在著較小的熱電勢也可以引起電阻變化（5）彈性元件與外殼的溫度系數不同彈性元件曲率的影響大氣壓 波動等影響。雖然比上述各項影 響小但也會使電阻值稍有變化。 對于這些誤差，在橋路設計以及后續電路設計中已經采取相應措施。 另外，影響稱重傳感器穩定性的因素主要有：（1）稱重傳感器的結構稱重傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設計，都必須保證受載后在結構上不產生性能波動，或性能波動很小。為此在稱重傳感器設計時，應盡量作到應變區受力單一，應力均勻一致；貼片部位最好為平面；在結構上保證具有一定的抗偏心載荷和側向載荷的能力；安

16、裝力遠離應變區，測量時應避免載荷支承點的位移。盡管稱重傳感器屬于裝配制造產品，但為了保證具有最佳技術性能和長期穩定性，盡可能將它設計成一個整體結構。（2）機械加工與熱處理工藝彈性元件在機械加工過程中，由于表面變形的不均勻產生較大的殘余應力，切削用量越大，殘余應力就越大，磨削加工產生的殘余應力最大。因此應制訂合理的加工工藝和規定適當的切削用量。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，在芯部和表層產生方向不同的殘余應力，其芯部為拉應力，表層為壓應力。必須通過回火處理工藝，在其內部產生方向相反的應力，與殘余應力相互抵消，減少殘余應力的影響。（3）電阻應變計與應變粘結劑電阻應變

17、計應具有最佳性能，要求靈敏系數穩定性好，熱輸出小，機械滯后和蠕變小，應變量為1500×10-6時疲勞壽命可達108，電阻值偏差小，批次質量均一性好等。應變粘結劑應具有粘結強度大，抗剪強度高；彈性模量較大且穩定；電絕緣性能好；具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹系數；蠕變和滯后小；固化時膠層體積收縮小等。粘貼電阻應變計時一定要嚴格控制膠層厚度，因為粘結強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力才能變形，不易產生流動和蠕變，界面上的內應力很小，產生氣泡和缺陷的幾率也比較小，應變傳遞性能好，只要防護密封合理就可達到較高的穩定性水平。（4）制造工藝流程應變式稱重傳感器的工作原理和

18、總體結構決定了，在生產工藝流程中有些工序必須手工操作，人為的因素對稱重傳感器的質量影響較大。因此必須制訂科學合理并可重復的制造工藝流程，并在其中增加電子計算機控制的自動化或半自動化工序，盡量減少人為因素對產品質量的影響。（5）電路補償與調整應變式稱重傳感器屬于裝配制造，貼片組橋后就形成了產品，由于內部不可避免的產生一些缺陷和外界環境條件的影響，稱重傳感器的某些性能指標達不到設計要求，因此必須進行各項電路補償與調整，提高稱重傳感器本身的穩定性和對外部環境條件的穩定性。完善而精細的電路補償工藝，是提高稱重傳感器穩定性的重要環節。（7）防護與密封防護與密封是稱重傳感器制造工藝流程中的要害工序，是稱重

19、傳感器耐受客觀環境和感應環境影響而能穩定可靠工作的根本保障。如果防護密封不良，粘貼在彈性元件上的電阻應變計及應變粘結劑膠層，都會吸收空氣中的水分而產生增塑，造成粘結強度和剛度下降，引起零點漂移和輸出無規律變化，直至稱重傳感器失效。因此有效的防護密封是稱重傳感器長期穩定工作的根本保證，否則將使各項工藝成果前功盡棄。（8） 穩定性處理提高稱重傳感器的穩定性除處理好上述各種因素的影響外，最重要的途徑就是采取各種技術措施和工藝手段，模擬使用條件進行有效的人工老煉試驗，盡量多的釋放殘余應力使其性能波動減至最小。5總結為期兩個星期的傳感器課程設計結束了，從拿到題目開始，我便開始通過各種途徑尋找資料，通過借閱書籍，網上查詢以及和同學討論交流等方式，最終完成了雙梁式S型稱重傳感器的設計。課程設計是一個將所學理論應用于實際的過程