电阻应变式拉力传感器及转换电路设计

第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。
第四是引出线，它作为联结测量导线之用。
电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。由于电阻丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。故选用金属箔式应变片。
五、弹性元件设计
弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件。
5.1
在设计传感器以前，首先应选择好弹性元件材料。对弹性元件材料提出以下要求：
a有较高的灵敏系数；
b电阻率高；
c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；
d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强；
e与其它金属接触的热电势小；
f与引出线焊接容易。
(2)常用的应变计材料
结论：根据应变式拉/压传感器的使用特性和性能指标,本次的传感器的要求又是要求精度不太高，并为保证弹性稳定性好，故弹性体选用硬化不锈纲材料。
5.3
对于荷重测量，要求传感器弹性元件具有高的弹性极限、高的冲击韧性和疲劳极限，具有良好的机械加工和热处理性能，具有高的抗氧化、抗腐蚀性能，而且热膨胀系数和弹性滞后应尽量小。
一、
传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号（通常为电信号）的器件或装置，传感器是发展仪器仪表、自动控制和广泛应用计算机的前提条件。
本次设计了一个应变式荷重传感器。应变式荷重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，应变片变形后，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
弹性元件中段的应力为：
σ=F/A
材料选定后，应检查是否满足σ≤[σ]。[σ]为许用应力，一般取：
σ=（1/3～1/4）σs（N/mm2）
式中，σs——材料的屈服点（N/mm2）
柱式力传感器的结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。在测1000
～500000N时，为了提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱式结构。
（6）垂链式膜片（7）波纹膜片和膜盒（8）圆柱式弹性元件（9）波纹管
5.2
不锈钢称重传感器的弹性元件，多使用马氏体弥散硬化不锈钢。例如美国的17一4PH, 15-5PH, AIS1630，英国的630, 631和日本的SUS630等。这两种不锈钢具有良好的焊接性能，无磁性汉材R多介质有很强的抗腐蚀能力，抗微塑变形能力强，并具有较高的耐应力松弛性能。又由于这类不锈钢有非常好的塑性，便于加工，可用来制造形状复杂的弹性元件，所以被广泛应用。17 -4PH和15 -5PH不锈钢的主要物理常数完全相同，即弹性模量E = 2.0 * Pa，泊桑比μ=0.272，密度P=7. 8g/cm3。
对于本设计，比较圆柱式弹性元件与S型弹性元件，由于S型式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如下图所示。
实心圆柱可以承受较大的负荷，在弹性范围内，则应力与应变成正比关系。
ε= (3-1)
式中：F——作用在弹性元件上的集中力；
S——圆柱的横截面积。
圆柱的直径根据材料的允许应力来计算。图3.1实心圆柱与空心圆柱
三、应变式荷重传感器的原理
应变式传感器也称应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应,将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。现已广泛应用于工程测量和科学实验中。
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻的电阻应变效应。
设有一根长度为L的，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻为：
由于F / S≤[σ] (3-2)
而S=πd2/ 4 (3-3)
式中d为实心圆柱直径。
则直径d (3-4)
由上列各式知，若想提高变换灵敏度。必须减小横截面积S。但S减小其抗弯能力也减弱，对横向干扰力敏感。为了解决这个矛盾，在小集中力测量时多采用空心圆筒或采用承弯膜片，空心圆筒在同样横截面情况下，横向刚度大，横向稳定性好。同理，承弯膜片的横向刚度也大，横向力都由它承担，而其纵向刚度小。
R=ρ
当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，
电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为：
由材料力学知：
其中：---沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关；
E----弹性模量；---材料所受应力。
忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下：
=
可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。
圆柱面展开及电桥
a)圆柱面展开图b)电桥连接示意图
柱式传感器外形尺寸
柱式传感器实物图
综上所述，总结出四种弹性体的比较表如表4.1所示：
类型
负载能力
精度
线性度
工艺性
体积
轮辐式
大
高
好
较复杂
较小
梁式
小
高
较好
简单
小
环式
较大
高
好
较复杂
小
柱式
大
较高
较好
简单
大
表4.1四种弹性元件的比较
结论：对以上各种形式的传感器进行比较，由于柱式传感器具有负载能力大，精度较高，加工工艺简单，线性度较好等特点，并根据题目的参数要求，测力范围：1×103～5×105N，称量精度：±1%和器件的应用性，加工性，本设计选用柱式传感器作为测量元件。
4
外加载荷作用在轮的顶部和轮圈底部，轮辐上受到纯剪切力。每条轮辐上的剪切力和外加力F成正比。当外加力作用点发生偏移时，一面的剪切力减小，一面增加，其绝对值之和仍然是不变的常数。可以消除载荷偏心和侧向力对输出的影响。这是一种较新型的传感器，其优点是精度高、滞后小、重复性及线性度好。
轮辐式传感器
4
梁式力传感器有多种形式，有等截面梁，等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。等截面梁其特点为结构简单，易加工，灵敏度高。适合于测5000N以下的载荷，也可以测量小的压力。等强度梁力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等，故对粘贴应变片位置要求不严。另外梁的形式还有平行双孔梁、工字梁、S型拉力梁等。
(1)强度高，弹性极限高；
(2)具有高的冲击韧性和疲劳极限；
(3)弹性模量温度系数小而稳定；
(4)热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性；
(5)热膨胀系数小；
(6)具有良好的机械加工和热处理性能；
(7)具有高的抗氧化、抗腐蚀性能；
(8)弹性滞后应尽量小。
5.2
5.2
（1）等截面梁（2）等强度梁（3）两端固定梁（4）环式弹性元件（5）平膜片
应变式传感器类型有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。
特点：①可测微应变1-2μm，且精度高、性能稳定；
②尺寸小、重量轻、结构简单，响应快；
3测量范围大；④环境要求不高；⑤便于多点测量。
电阻应变片组成图
四、
此次荷重传感器课程设计选用应变式传感器。设计中只要把应半片贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小。应变式测力传感器一般由弹性体，应变计和外壳组成。弹性体是测力传感器的基础，应变计是传感器的核心。根据弹性体的结构形式的不同可分为：轮辐式，梁式，环式，柱式等。在测量拉/压力上主要用到以上四种。
因此，受力超过满量程的150%时的应力还远远小于材料的比例极限和临界应力这表明该元件不会出现弹性失稳。
此外，在两端需有螺纹孔，以便连接螺栓，选用螺孔为M12，它的许用载荷大于100000N。
六、
6
电阻应变片由四个部分组成。
第一是电阻丝（敏感栅），它是应变片的转换元件。
第二是基底和面胶（或覆盖层）。基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。
箔式应变片的主要优点：
(1)本身性能稳定，受温度变化的影响小；
(2)使用温度范围比较宽，在-269—+350度范围内稳定工作；
(3)适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便；
(4)价格便宜。
(a)单轴的(b)测扭矩的(c)多轴的(应变花)
图4.1各种金属箔式应变片
6
6
(1)材料的选用原则
应变片敏感栅合金材料的选择对制作应变片性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变片所用的应变电阻合金有以下的要求：
根据材料力学和惠斯顿电桥原理（均为全桥工作方式）。柱（筒）式弹性元件的参数可用下式计算：
式中S ——传感器的灵敏度（mV/V），静态使用时可取1～1.5 mV/V那；如进行灵敏度补尝及线性补偿等，上列值应再乘以1.2～1.25倍；μ——料的泊松比；F——传感器的额定负荷；K——应变计的灵敏系数；E——材料的弹性模量；A——弹性元件贴片部位的截面积：
空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。
由于 (3-5)
所以D (3-6)
式中：D——空心圆柱外径；d——空心圆柱内径。
弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响。由材料力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响。当高度与直径的比值H / D〉〉1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。试验研究的结果建议采用
H >>2D+L (3-7)
式中L为应变片的基长。对于空心的圆柱为
H≥D-d+L (3-8)
因此，经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。