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 Rd 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 K2.2 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：回线式应变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。

2.2.2 箔式应变片此箔式应变片的结构图如图3所示图 3 箔式应变片结构图箔式应变片结构优点：（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制作成任意形状以适应不同的测量要求；（2）粘合面积大；（3）敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；（4）散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；（5）敏感栅弯头横向效应可以忽略；（6）蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。

缺点：工艺制作有些复杂。

2.2.3半导体应变片此半导体应变片结构如图4所示图4 半导体应变片结构图1—基底 2—半导体敏感条 3—外引线 4—引线连接片 5—内引线此结构式传感器优点：灵敏系数大，动态特性好缺点：重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。

总结以上典型结构的优缺点比较，选择箔式应变片较好，所以我决定选择箔式应变片作为敏感元件，并且选择如图5所示结构的箔式应变片图 5 箔式应变片结构图2.3 应变片的材料选择电阻应变计主要由电阻敏感珊、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。

基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感栅和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。

电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。

应变计结构如图6所示图 6 所选应变片结构图1—覆盖层 2—基底 3—引线 4—粘合剂 5—敏感栅2.3.1 电阻敏感栅材料选择敏感栅合金材料的选择对制造电阻应变计性能好坏起着决定性的作用，因此它的材料选择要求如下：（1）有较高的灵敏系数，并且在较大的应用范围内保持不变；（2）有高的和稳定的电阻率；（3）电阻温度系数小，电阻—温度间的线性关系和重复性好，并有足够的热稳定性；（4）机械强度高，加工性能和焊接性能良好，与引线材料接触电势小；∆与机械应变ε具有良好而又宽广的线性关系；（5）电阻变化率/R R（6）抗氧化、腐蚀性能强，无明显机械滞后。

目前没有一种金属材料能满足上述全部要求。

因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的电阻合金大致有以下几种：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金属等。

通过查阅资料以及对这几种材料的性能、成本对比，我选择康铜作为敏感栅材料。

康铜的性能如下:合金成分/ %：Cu55,Ni45 灵敏系数Ks：1.9~2.1电阻率：0.45~0.54 电阻温度系数: ±20*10-6线膨胀系数: 15*10-6 对铜热电势/μV/℃: 43最高使用温度/℃: 静态:250 动态:400选康铜作敏感材料的理由如下：首先这种材料最为常用,电阻温度系数小且稳定，同时它的Ks值对应变值的稳定性高。

不但在变形的弹性范围内Ks值保持不变，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。

所以用康铜作为敏感栅的应变计灵敏系数K=2，且其测量范围大。

同时对康铜用不同的方法加工，不同的热处理，或者改变合金成分的比例，可以改变它的电阻温度系数(由负值到正值)，利用这一特性可以制造温度补偿电阻应变计。

而且该材料制作的应变片尤适合长时间、大应变测量。

2.3.2 基底、引出线材料选择基底的作用是固定应变计的敏感栅，使它保持一定的几何形状，并使电阻敏感栅与弹性元件相互绝缘。

应变片基底越厚，基底材料弹性模量越小，引起的蠕变越大。

通常选用基底薄、基底材料的弹性模量较高的应变片，取基底厚度为0.03～0.05mm。

对基底材料性能的要求是：（1）机械强度高，挠性好；（2）粘贴性能好；（3）电绝缘性能好；（4）热稳定性和抗湿性好；（5）无滞后和蠕变。

玻璃纤维增强基底应变计长期稳定性好、蠕变小、滞后小、耐热性好、疲劳寿命高，最适用于高精度测力或称重传感器上，因而我们选用玻璃纤维布作为基底材料。

引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线，一般要求引出线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。

常温应变计引出线多用镀银紫铜丝或铜带。

引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。

我选用了康铜材料的敏感栅，且其使用条件无特殊要求，故采用银铜作引出线。

2.4 应变片的参数2.4.1 应变片基长为了使测量误差减小，将00sin /l l ππλλ展开为级数，并略去高阶小量后，可得22001166l l f e ππλυ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭粘贴在一定材料试件（υ为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长0l 和频率f 的增加而增大。