电阻应变式荷重传感器

电阻应变片组成图
应变式传感器实物图
二、弹性体
• 弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传 感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生 一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应 变棗电信号的转换任务。 以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分 布。 设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、 下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应 变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将 受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。 ε = （3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） 其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁 的几何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受 的是“平均”状态。
F
图2
• 柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两 种。应变片粘贴在弹性体外壁应力均匀的 中间部分，并均匀对称地粘贴多片。因为 弹性元件的高度对传感器的精度和动态特 性有影响。所以对实心圆柱，一般取 H≥2D+L，而空心圆柱一般取H≥D-d+L 。 • 式中H为圆柱体高度，D为圆柱外径，d为 空心圆柱内径，L为应变片基长。
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为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：①采用 差动电桥；②采用恒流源电桥。 • 为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往 安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电 压为： UO=U△R/R • 所以，本题所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提 高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变 片。 • 此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV的不平衡 输出，并且放大器有输入失调电压，因此，用组成的电桥 电路进行零位调整。通过改变电位器的值，可改变补偿电 压的大小，以使得零压力时U0=0V，为了保证足够的调整 精度，电位器为多圈电位器。
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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：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：
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由材料力学知：
L L
E
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其中：π---沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关； ---材料所受应力。 E----弹性模量； 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：
电桥电路原理：
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应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化ΔR/R,还 要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测 量仪表进行测量。 • 由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变 化范围也很小，直接测量出这一微小变化比较困难，所以 一般利用桥式测量电路来精确测量出这些小的电阻变化。
• 电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化 很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值， 假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压V0为 零的条件是：R1R3=R2R4。
工作原理：
• 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹 性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在 他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻 应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），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。 • 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式 称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面 简要论述。
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单臂电桥时，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4为定值电阻， 在应变片R1工作时，其电阻R1变化△R,此时电桥的灵敏 度为：ku=U/4 • 电压输出为:UO=(U/4)(△R1/R1)
非线性误差
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电桥电路的非线性误差为：γL=△R1/2R
上面各式表明，当电源电压U及电阻相对值 一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂 阻的大小无关。 直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获 得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路 分布参数影响小，测量中常用直流电桥。
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三、检测电路 • 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输 出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化 的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重 传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得 到了广泛的应用。 • 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种 干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式 等臂电桥。
• 结论:综上所述，应在圆柱上粘贴8片应变片， 粘贴方式如图a）所示。传感器应采用全桥 式差动电桥电路原理图如图b)所示。
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圆柱式：
• 选择 D 与 d 时，要考虑到构件的稳定性及 加工条件，圆筒式的壁不能太薄。两端的 刚度要足够。当安装、紧固传感器时，不 应使中段产生腰鼓变形。过渡部分的圆弧 半径不可太小，以避免造成应力集中而影 响疲劳寿命。为使贴片部位应力分布均匀， 长度L不可太短，圆柱式一般取 L = ( 2～ 2.5 ) D ，圆筒式可适当短一些。
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根据材料力学和惠斯顿电桥原理（均为全桥工作方式）。柱式弹性元件 的参数可用下式计算：
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S
1 KF
2 AE
10 3
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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： 圆筒式：
• 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。在测量较大的质量时，通常采用实心圆柱式结构。 • 下图为圆柱面展开及电桥 • a)圆柱面展开图 b)电桥连接示意图
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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。 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。
题目
• 电阻应变式荷重传感器（地磅）需要对较 大的质量进行测量，通常采用如图2所示的 实心圆柱和粘贴在圆柱上的电阻应变片构 成。若需要充分考虑传感器的温度误差、 线性度、灵敏度等因素，请回答：①应在 圆柱上粘贴多少片应变片？请在图上画出 应变片的粘贴方式；②该传感器应采用何 种测量电路？请画出测量电路原理图。
第四组
组员：李振宁 邓奋飞 卢翔 潘恒康 邓海华 梁炳锐 吕裕升
电阻应变式荷重传感器
• 在现代地磅重方面，传感器是其核心部件，传感 器的种类有很多种，对于地磅方面，用的最多的 是电阻应变式称重传感器，现在我们就来讲一讲 这种传感器：
• 称重传感器中最多的是电阻应变式称重，应变片 是称重传感器的核心单元，弹性体是基础组成部 分。称重传感器按结构类型分主要有S行双连孔 式传感器，柱式传感器，轮辐式与桥式传感，柱 环式传感器，剪切梁式传感器和单S梁式传感器。
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一、电阻应变片
• 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。
ΔL L
F Δr
r
图 1.9
金属电阻应变效应
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当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高， 比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是 开路。若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出：
U0
R1 R3 R2 R4 ( R1 R2 )(R3 R4 )
U
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恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输 出电压只与应变片输出有关。