称重传感器静态标定系统

南京航空航天大学

综合课设报告

题目：称重传感器设计及性能测试

学院：自动化学院

专业：测试计量技术及仪器

组员：031230325 ***

031230326 杨宇科

2015年7月4日

检测技术综合课设

一、设计内容

1、设计一个电阻应变式载荷传感器及传感器特性自动测试校准系统。应用力学、

传感器技术等相关知识设计一个载荷传感器，要求使用AUTOCAD 绘制传感器机

械图。责任设计人：李鸿影。

2、贴片工艺，力学分析推导应变和载荷的关系。责任设计人：李鸿影。

3、设计传感器调理电路，要求电路在满足一定测试精度的前提下，尽可能简单，

但可以设计两个以上的电路。要求输出电压范围为-3V~3V 。责任设计人：杨宇科。

4、编写虚拟仪器程序，完成校准和对传感器静态特性曲线的显示，计算传感器

的线性度（用最小二乘线性度、或端基线性度表示）、灵敏度（包括放大器，V/kg)、

重复误差、迟滞误差等静态指标。责任设计人：杨宇科。

二、传感器结构设计与材料选择

（1）传感器结构的机械制图

图2.1 实际实验原理图 ⎪⎭

⎫ ⎝⎛+-+++-+=EW M PL EW M PL EW M PL EW M PL uk u i 12124 （式2.1）

图2.2 AntoCAD绘制机械原理图

（2）弹性体的材料选择

因为弹性体在称重传感器中主要用来承载重物的载荷，形成变形，以便粘贴在弹性体上的应变片感受到变形，从而得到重物质量，实现称重传感器的设计功能。所以，一般对弹性体有如下具体的要求：

1.强度高：具有较强的抗压(或抗拉)强度,以便在高载荷下有足够的安全性能。

2.温度系数小且稳定

3.弹性滞后、弹性后效小

4.良好的机械加工和热处理性能

5.耐腐蚀性能好

常用的弹性体材料有：铬钢，合金钢，铬锰弹簧钢，铍青铜，铝合金

本次设计的传感器弹性体采用硬铝合金进行制作，以下对硬铝合金的性能指标进行简单概述：

硬铝合金主要指铝—铜系的铝合金材料，这类合金的抗拉强度高，具有较好的塑性，具有较高的疲劳性能和断裂韧度，耐热性和加工性能良好，但耐蚀能力较低，需要进行防腐保护。

以2A11硬铝合金为例：

*其热学性能如下：

线膨胀系数：−50~20℃ 21.8μm∙(m∙Κ)−1

20~100℃ 22.9μm∙(m∙Κ)−1

质量热容：924(100℃)J∙(kg∙Κ)−1

热导率：T4:118(25℃) W∙(m∙Κ)−1

*其电学性能如下：

20℃电阻率：T4:54nΩ∙m

*其室温力学性能：

弹性模量E：71GPa

切变模量G：27GPa

屈服强度σ0.2：250MPa

抗拉强度σb：410MPa

伸长率δ10：15%

泊松比μ: 0.31

抗剪强度στ: 270MPa

疲劳强度σ−1: 125MPa

（3）总结与体会

在设计机械图时，由于没有具体的数据，只能靠直尺测量，因此会有些许微小的误差，不过可以大体看出来测试机械原理，一开始设计时选择面会有一些问题，不过在我弄懂AutoCAD的三维分布就很好解决了，最后用“差集”方法打洞完成。三视图和实体三维图均反映在一张图上。

三、贴片工艺与力学特性分析

（1）贴片工艺分析

由电路理论和传感器原理可知，

采用单臂测量时输出为：

u i=uk

4

ε1（式3.1）

采用差动半桥测量时输出为：

u i=uk

4

(ε1−ε2)（式3.2）

采用差动全桥测量时输出为：

u i=uk

4

(ε1−ε2−ε3+ε4)（式3.3）

又(ε1=−ε2=−ε3=ε4)（式3.4）

可知采用差动全桥时灵敏度最高，为差动半桥测量的2倍，单臂测量的4倍。

综上所述：应该使用4片应变片粘贴在悬臂梁上构成差动全桥测量电路。

具体粘贴工艺与步骤如下：

1.准备工作：对弹性体的表面进行处理，保证干净整洁光滑平整；

2.粘贴应变片；

3.连线组成测量电桥，务必使对臂电阻变化相反，已构成差动电路，消除

温度等的影响；

4.复查；

5.固化；

（2）等截面悬臂梁的力学特性分析

根据称重传感器的量程要求为0——500g，属于小量程测量。由（二）可知，采用悬臂梁结构（如图3.1所示）进行设计。

以下就等截面悬臂梁进行力学特性分析：

图3.1由材料力学可知：

应变片粘贴处的应变为：

ε0=σ

E

=

6Pl0

bℎ2E

(式3.5）

则测得的重力为：

P=bℎ2E

24l0

ε0 (式3.6）

由（式3.5）、（式3.6）可知，应变片所测应变ε0与力P作用的位置l0有关，换言之，系统所测得的力F的大小随力P作用位置l0的变化而变化。同时，所测力P 的大小还会受到因载荷不正中而引起的偏心带来的扭矩的影响。

（3）带角钢形状刚体的等截面悬臂梁的力学特性分析

为了解决（2）中的传感器的输出随载荷的位置而改变及载荷不正中带来的影响，在（2）中等截面悬臂梁的自由端加上如图所示的角钢形状的刚体。

以下就带角钢形状刚体的等截面悬臂梁（如图

3.2所示）进行力学特性分析:

由材料力学可知，作用于角钢形状刚体上的

力P与弯矩之差∆M成正比，

即:P∝ΔM=M1−M2（式3.7）

可得梁上所贴4个应变片所感受到的应变值

分别为：

ε1=PL2+M

EW

（式3.8）

ε2=PL1+M

EW

（式3.9）

ε3=−PL2+M

EW

（式3.10）

ε4=−PL1+M

EW

（式3.11）

图3.2

由电桥输出特性可知：

u i=uk

4

(ε1−ε2−ε3+ε4)=

uk

4

(

PL2+M

EW

−

PL1+M

EW

+

PL2+M

EW

−

PL1+M

EW

) u i=

uk

2

P(L1−L2)

EW

（式3.12）

（式8）中（L1−L2）为两组应变片间的距离。

由（式8）可知，电桥输出与载荷位置无关，从而解决了（2）中的问题。（4）双连孔悬臂梁力学特性分析