电阻应变式称重传感器设计

前言

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。《传感器原理与应用》课程主要研究各类传感器的工作原理、简单结构以及实际的应用。

本课程设计时间为两周，课程设计旨在培养学生的综合应用能力，通过本实践环节，使学生加深对理论知识的理解，加深对传感器性能、检测电路的形式与配接、信号的分析与处理等内容的了解，使学生对测控系统的应用与设计有感性认识，为后续课程、毕业设计和工程实践服务。

本文设计了一个电阻应变式的称重传感器。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。

电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩以及位移、加速度等参数的测量。目前，无论在数量上还是在应用领域上，与其他传感器相比都具有重要的地位。其主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定，可靠，测量速度快，适合静态、动态测量。

尚延臣

2009年6月23日

目录

第 1 章电阻应变式称重传感器的原理 (1)

1.1 称重传感器的组成部分 (3)

1.2 工作原理 (3)

第 2 章电阻应变片的设计 (4)

2.1 应变片的工作原理 (5)

2.2 应变片的结构选择 (5)

2.2.1 电阻丝应变片 (5)

2.2.2 箔式应变片 (6)

2.2.3半导体应变片 (6)

2.3 应变片的材料选择 (7)

2.3.1 电阻敏感栅材料选择 (7)

2.3.2 基底、引出线材料选择 (8)

2.4 应变片的参数 (9)

2.4.1 应变片基长 (9)

2.4.2应变片的电阻值 (9)

2.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限 (9)

第 3 章传感器弹性元件的设计 (11)

3.1 弹性元件的选择 (11)

3.2 双孔梁受力分析 (11)

3.3 弹性元件材料选择 (14)

3.4 双孔梁的尺寸选择 (15)

第 4 章变换检测电路设计 (17)

4.1 桥路的设计 (17)

4.2 放大电路的设计 (18)

4.3 检波、滤波电路的设计 (18)

4.4 其他电路的设计与选择 (19)

第 5 章传感器的工艺设计 (20)

5.1应变片的粘贴工艺 (20)

5.2传感器的封装 (21)

5.3 传感器装配 (21)

第 6 章误差源分析以及处理 (21)

第 7 章小结 (23)

参考文献·····································

(21)

电阻应变式称重传感器设计

第 1 章 电阻应变式称重传感器的原理

电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重 , 在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。它是电子衡器的核心部件。它的质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。在实际使用中 , 由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响 , 很容易发生故障 ,影响电子衡器计量数据的准确及稳定的运行。因此 ,了解称重传感器的基本原理及故障原因 , 熟练掌握故障的分析判断技术 , 是快速准确地处理电子衡器的故障 , 保证其准确、稳定运行的关键。

1.1 称重传感器的组成部分

称重传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。应变片是一种传感元件 , 它的作用是将变形转变成电阻变化;弹性体是一个有特殊形状的结构件,它的主要作用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。

1.2 工作原理

称重传感器的基本电路如图1所示

可以推出:

024131234()/()()i U R R R R U R R R R =-++

式中 1R 、2R 、3R 、4R 为应变片电阻; i U 为传

感器的输入信号; 0U 为传感器的输出信号。

当2413R R R R = 时 , 我们称之为电桥平衡 , 这时

图 1 基本电路图

称重传感器的输出电压0U = 0mV 。

物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器 , 称重传感器的弹性体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) 。再经相应的检测电路 , 把这一电阻变化转换为电信号 (电压或电流) 输出 , 从而完成将外力变换为电信号的过程。

设1R =2R =3R =4R =R

当受到重力作用后,传感器的应变片电阻发生变化,假设各桥臂阻值变化相同,变量为R ∆ , 即: 1R 、3R 分别减小R ∆ , 2R 、4R 分别增大R ∆ 时

可以推出传感器的输出电压为: 0/i U RU R =∆

第 2 章 电阻应变片的设计

2.1 应变片的工作原理

电阻应变敏感元件的转换原理是基于导线的电阻-应变效应。由金属导体的电阻定律知，对于长度为L 、截面积为A 、电阻率为ρ的金属丝，其电阻

/R L A ρ=

结合材料的泊松比定律，经数学变换得金属丝电阻应变特性

/(12)/x dR R d μερρ=++

则金属丝灵敏系数 //(12)s x x dR R

d K ρρμεε==++

故有

/s x R R K ε∆=

另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片

/x R R K ε∆=

其中s K K

2.2 应变片的结构选择

应变片的结构形式很多，但其主要组成部分基本相同。其中较为典型的是丝式、箔式和半导体式。

2.2.1 电阻丝应变片

此丝式结构应变片的结构图如图2所示

图2 电阻丝应变片

1—基底 2—敏感栅 3—覆盖层4—引线

此丝式结构应变片的优点：制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。缺点：回线式应