電阻應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計說明

1、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(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

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 小），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)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。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 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 . 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 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 變換檢測電路設(shè)計 164.1 橋路的設(shè)計 174.2 放大電路的設(shè)計 184.3 檢波、濾波電路的設(shè)計 184.4 其他電路的設(shè)計與選擇 19第 5 章 傳感器的工藝設(shè)計 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

5、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。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)?/p>

6、相應(yīng)的電信號輸出。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；U。為傳感器的輸出信號。當(dāng)R2R4 RR3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)的檢測電路 , 把這一電阻變化轉(zhuǎn)換 為電信號 （ 電

7、壓或電流 ） 輸出 , 從而完成將外力變換為電信號的過程。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：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。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：（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(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。缺點：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：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?？偨Y(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

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

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)械強度高，加工性能和焊接性能良好，與引線材料接觸電勢??；（5）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，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，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?？点~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對銅熱電勢/卩V/C : 43最高使用溫度/ r :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

13、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。2.3.2 基底、引出線材料選擇基底的作用是固定應(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）機(jī)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

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2.4應(yīng)變片的參數(shù)241 應(yīng)變片基長X / 10為了使測量誤差減小，將sin 一1-展開為級數(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，對正弦波的響應(yīng)誤差隨柵長10和頻率 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、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10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，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 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 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 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)致測量靈敏度的下降，并帶來測量誤差，產(chǎn)生零點漂移等。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

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 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 1000X 10-6。第3章傳感器彈性元件的設(shè)計3.1彈性元件的選擇電阻應(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大類。為了改善懸臂梁的特性，在提高動特性的同時也增加 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)，當(dāng)和的變形為拉伸 時，和 為壓縮變形，四個應(yīng)變片組成差動電橋，輸出特性的線性度好。另外，這種梁的 剛度比單梁好，故動特性好，滯后小。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。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xOy，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：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：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：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上有一個內(nèi)力偶矩M,由 M00得: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：M Yx M1將Mj PL/4和¥P/2 代入上式得：M PL/4 Px/2x =0 時， M PL/4x = L/2 時，M 0x = L 時， M PL/4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

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?。?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40CrNiMo30CrM nSiNi2A30CrM nSiALC4LY12彈性模量E105 N/mm22. 082. 101. 980. 710. 71抗拉強度c bN/mrn132016001100580490屈服強度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，其淬火時的淬透性差，而40CrNiMo與30CrMnSiNi2A在很多方面性能均相似，但40CrNiMo是 測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力傳感器及動態(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 變換檢測電路設(shè)計檢測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?。因為惠斯登電橋具有?多優(yōu)點，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 感器的補償問題等。4.1橋路的設(shè)計由于電阻應(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，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(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，溫度變化，電橋就有輸出，成為“零漂”；另一種是在有負(fù)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(shè)計時應(yīng)將這些因素考慮在內(nèi)。于是我就設(shè)計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)變片工作時的4倍(2) 輸出輸入呈線性，沒有非線性誤差(3) 能夠溫度補償，大大減小因溫度而造成的誤差4.2放大電路的設(shè)計由于此傳感器的電橋輸出阻抗很高，這就需要一個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)計雙運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 U。8.54mv因此要得到足夠的功率去推動指示儀表或記錄器，若經(jīng)放大電路輸出的信號最大值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 那么對應(yīng)的 R=11.6k QR2=100Q4.3檢波、濾波電路的設(shè)計經(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應(yīng)變信號的波形。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。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(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應(yīng)變波形中仍殘留有載波信號，必須濾掉，方能得到被 檢測應(yīng)變信號的正確波形。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

32、要濾去高頻波中頻率最高分量，即是載波頻率，而一般被測應(yīng)變信號?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)計與選擇由濾波電路輸出的應(yīng)變信號，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)時間后按給定的方位將應(yīng)變計準(zhǔn)確地放在粘貼部位上，而后在應(yīng)變計 上蓋上一層氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一個方向碾壓，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。貼片時膠層的厚度必須嚴(yán)加控制，片基和粘接劑膠層厚度對于減少蠕變有非常重要的 影響，并也使粘結(jié)強度增高，更能準(zhǔn)確地傳遞試件的應(yīng)變。在實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， 同時固定引線等。對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)境下長期使用時的精度。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，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的輸出稱為零點輸出零點輸出受環(huán)境溫度的影響隨環(huán)境溫度的 變化而變化，這稱之為零點溫度漂移引起稱重傳感器零點溫度漂移的因素產(chǎn)生此溫度漂移的原因:(1) 彈性元件電阻應(yīng)變計

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)生變化時都會產(chǎn)生不同程度的熱脹冷 縮使電阻應(yīng)變計敏感柵仁, 長或縮短引起電阻值變化（2）電阻應(yīng)變計敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)不為零各電阻應(yīng)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(huán)境溫度而變化這都會引起電阻的改變（3）由于各電阻應(yīng)變計的引出線及連接導(dǎo)線的長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(shù)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

37、。對于這些誤差，在橋路設(shè)計以及后續(xù)電路設(shè)計中已經(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，都必須保證受載后在 結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生性能波動，或性能波動很小。為此在稱重傳感器設(shè)計時，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)，測量時應(yīng)避免載荷支承點的位移。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)性能和長期穩(wěn)定性，盡可能將它設(shè)計成一個 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)變計與應(yīng)變粘結(jié)劑 電阻應(yīng)變計應(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)強度大，抗剪強度高；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?。还袒瘯r膠層體積收縮小等。粘 貼電阻應(yīng)變計時一定要嚴(yán)格控制膠層厚度，因為粘結(jié)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(yīng)力才能變形，不易產(chǎn)生流動和蠕變，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算機(jī)控制的自動化或半自動化工序，盡量減少人為因素 對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。（5）電路補償與調(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