课程设计 基于电阻应变片的S型称重传感器设计

1、基于电阻应变片的S型称重传感器设计 1.绪论1.1设计的任务及要求1. 正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成电桥；2. 选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并根据测试极限范围进行强度校核；3. 完成传感器的外观与装配设计；4. 完成应变电桥输出信号的后续电路的设计和相关电路参数计算，绘制电路原理图（4号图纸）；5. 按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000字左右）；按机械制图标准绘制弹性元件图（4号图纸）,机械装配图各一张（3号图纸）；1.2设计的目的意义及发展趋势随着社会的发展，人们对传感器的测量精度，测量范围以及对环境的适应程度都

2、提出立新的要求。本设计为双梁S型称重传感器，具有精度高、双向承载、便于安装等特点。在配料秤、机电结合秤、吊钩秤、包装秤、材料力学实验机等设备力值的测量及控制上有着十分广泛的应用。2. 电阻应变片式传感器的工作原理及特点电阻应变片式传感器是把非电物理量转化为电阻变化的一种传感器。它将具有电阻应变小英的金属丝接入电路，利用金属丝的电阻随着其所受的机械变形而发生相应的变化特性来改变电路的输出电压或电流，并经过相应的测量电路进行转化，从而实现力的测量。电阻应变片式传感器主要有以下特点： （1）测量灵敏度和精度高，测量范围大； （2）使用寿命长，性能稳定可靠，适应性强； （3）结构简单，尺寸小，质量轻；

3、 （4）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；3双梁S型传感器设计方案3.1电阻应变片的选择3.1.1电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理是金属的电阻应变效应，即金属丝的电阻随它所受机械变形而发生相应的变化的现象。设金属丝在自由状态下的电阻为 （1）其中R为电阻，为电阻率，为金属丝长度，S为金属丝截面积。当金属丝因受拉尔伸长时，其电阻发生变化，对式一进行全微分可以得到： （2）则电阻的相对变化为： （3）式中，为金属丝长度的相对变化，根据材料力学，它等于金属丝轴向应变；为截面积的相对变化，因为，所以，称为金属丝径向应变，（为材料的泊松系数）；为电阻率的相对变化。则由以上参

4、数的定义，式3可以等效为 （4）所以灵敏度系数为 （5）并且实验证明，在金属丝的弹性变形范围内，与轴向应变成正比，所以为常数。即就是: (6)式6表明，金属丝的轴向应变与其电阻相对变化成正比，金属丝收到拉力将产生应变，电阻值现行减小。3.1.2应变片种类的选择电阻应变片分为很多类，一般常见的有金属丝是应变片，金属箔式应变片以及金属薄膜式应变片。本次设计中我采用金属箔式应变片，主要有以下原因：6. 金属箔式应变片能保证线栅尺寸的准确，线条均匀，在生产时，电阻值离散成都小；7. 敏感栅薄而宽，粘贴性能好，传递试件应变性能好；8. 散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度；9. 敏感

5、栅弯头横向效应可以忽略；10. 蠕变、机械滞后较小，抗疲劳寿命长；3.1.3应变片材料的选择3.1.3.1 敏感栅材料的选择 对于敏感栅材料，为保证与有良好而且宽广的线性关系，要求材料灵敏度系数Ks和电阻率要尽可能大而稳定；为了减小温度误差的影响，要求材料的电阻温度系数小，且电阻温度间的线性关系和重复性要好；并且在弹性元件的选择中我选择国内目前应用最多的30CrMnSiA,其线性膨胀系数为，为了在应变片中实现温度自补偿，则应变片敏感栅必须尽量满足： （7）综合以上因素，对比常见的几种敏感栅材料可知选择康铜作为敏感栅材料最为合适。3.1.3.2 基底材料的选择基底是电阻应变片制造和应用的重要组成

6、部分，承担着固定保持敏感栅的形状、传递被测应变的任务，因此对基地材料的要求机械强度及挠性好、粘贴性能好、电绝缘抗湿性好，物质后和蠕变。常用的有纸基和胶基两大类，本次设计中我选用胶基中的环氧作为基底材料。其具有可耐高温、抗湿性能好测量使用时间长等优点3.1.3.3粘接剂的选择粘接剂是连接构件表面和应变片的重要物质，粘接剂和应变片的粘接技术对于测量结果有着直接的影响，要求粘接剂材料有一定的粘接强度，能准确传递应变；对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；蠕变、机械之后误差小；且有较宽的使用温度范围和良好的耐疲劳、抗老化性能。综合以上要求，本次设计中我选用环氧树脂酸粘接剂，其温度适用范围为-60+80

7、度，满足本次要求的-30+60度，同时他还有较好的抗湿、抗老化能力，且成本较低。是理想的粘接剂。3.1.4应变片电阻值的选择对于传感器用的应变片，一般阻值都选用。3.1.5应变片灵敏度系数的选择对于一般的应变片来说灵敏度系数越大，其输出就越大。但是大部分应变片的K值为2 ，在本次实际中我也选择K为2的应变片，并且在上面选择了康铜作为敏感栅材料，已经符合了设计要求。综合以上对敏感栅、基底及阻值的选择要求、使用环境温度以及S型传感器受力均匀的特点，在本设计中我选择型号为BH3501AA箔式应变片。3.2弹性元件的设计计算3.2.1 弹性元件的设计图1 力的计算简化图 如上图所示，为了便于S型传感器

8、弹性体的计算，可以把弹性体简化为一端固定，另一端只沿力作用方向移动而不能转动的二度静不定梁。若为单梁其应力计算如下：, , ,且对于不定梁有所以有 (8) （9）由于应变片不是贴在根部，而是贴在孔壁最薄的位置，且所选传感器为双梁，所以每根梁上受力为,所以有 (10)载荷力（一般为最大力的1.5倍，本次为1500kg）；梁端部到中心的距离（本次选择量程为1t,则L设为14mm）；应变片的基长（本次选用的应变片基长为4.0mm）;梁端到应变片的距离；梁的厚度；梁的宽度（本次梁的宽度为40mm）； 弹性模量（30CrMnSiA的弹性模量为2.1*1011pa）；弯矩；弯矩模量；材料应力(30CrMn

9、SiA的材料应力为1.65*109pa将数据带入得：在本次设计中取，因此有:3.3.2弹性元件的强度校核由于 , （11）所以有：根据第一强度理论：则该材料可以满足强度要求，故弹性元件总的示意图如下：图2 弹性元件图图3.3双梁S型称重传感器电阻应变片的布置与安装3.3.1应变片的结构 应变片的结构示意图如下：图3 应变片结构示意图上图中，L为应变片的基长，D为基宽。L*D为应变片的面积。根据本次选择，其规格为,3.3.2 应变片的安装与布置应变片在弹性元件上的安装如下图：图4 应变片布置示意图在圆孔应变最大的的45度和135度方向上各安装两个应变片，实现测量。3.4测量电路的设计计算3.4.

10、1 电桥电路的设计与计算由于电阻应变敏感元件的温度特性不完全相同，弹性元件各处的材料性能也有差异，当温度变化时，电桥就会有输出，造成测量误差，主要有两主要因素造成的：（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变（2）试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，式应变片产生附加应变。它有两种现象，一种是不受载荷时，温度变化，电桥就有输出，成为“零漂”；另一种是在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度变化而变化，称为“动漂”。因此，在桥路设计时应将这些因素考虑在内。于是我设计了四臂差动电桥，其示意图如下：图5 电桥示意图设初值,工作时各个桥臂变化为,则可得： （12）差动工作时，,则输出为: （13）

11、在本次设计中，K=2，Ui=5V,W=500HZ,=1.15mm; 所以当加载最大荷载1t时，输出电压Uo=2*5*1.15=11.5mv;3.4.2放大电路的设计与计算由于设计要求此传感器的输出阻抗为350,不是很高，这就需要一个输入阻抗同样的放大电路与之匹配，并且此放大电路的输出阻抗应该较小。因此我选用三运放高共模抑制比电路。设计其电路图如下：图6 高共模抑制比电路 在上图中，为了抑制公模电压，并达到差模电压放大的目的将各电阻阻值设定为阻值设定为：; 因此有：3.3.4相敏检波电路经过放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原为被检测应变信号的波形。而一般的检波器只有单向的电压输出，不

12、能区别拉压应变信号。因此，我采用能克服上述缺点的相敏检波器，它可以有双向信号输出，能反映出应变的拉或者压。其放大增益设为1，所以只是起到检波作用，无放大效果。则其对应的电阻值为R1=R2=R3=R4=R5=R6/2=1.电路图如下： 图7 相敏检波电路 如上图：当VCC1=1时，Q2导通，Q1截止，同相输入端接地，Us从反相输入端输入，放大倍数为.当VCC2=1，VCC1=0时，Q2截止，Q1导通，反相输入端通过R3接地，Us从同相输入端输入，放大倍数为:从而实现了相敏检波。3.2.5低通滤波电路 由相敏检波电路输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤掉，方能得到被检测应变信号的正确波形

13、。一般用电容，电感组成二型低通滤波器。对滤波器的特性要求，要考虑到和前级相敏检波电路的匹配，又要考虑和后级记录器的匹配。由于它要滤去高频波中频率最高分量，即是载波频率，而一般被测应变信号频率比小很多，故滤波电路的截止频率只要在（0.30.4），就可满足频率特性要求。所以在这里我选用无线增益多路反馈型低通滤波电路。其示意图如下： 图8 低通滤波电路 其放大增益 而载波信号频率定为500HZ 则此滤波器的截止频率为150200HZ，我选择设计截止频率为200HZ的低通滤波电路，其参数如下：R1=R3=10K, R2=2.5K,C1=C2=1;则其增益为：；截止频率3.2.6电路总图的设计 图9 电

14、路总图4 误差源分析以及处理称重传感器在无外载荷作用时的输出称为零点输出零点输出受环境温度的影响随环境温度的变化而变化，这称之为零点温度漂移引起称重传感器零点温度漂移的因素，产生此温度漂移的原因： （1）弹性元件电阻应变计应变粘结剂的单线膨胀系数不同 弹性元件的纵向和横向膨胀率不同电阻应变计基底和应变粘结剂底膜的厚度不同在环境温度发生变化时都会产生不同程度的热胀冷缩使电阻应变计敏感栅仁, 长或缩短引起电阻值变化（2）电阻应变计敏感栅材料的电阻温度系数不为零各电阻应变计之间又有一定的 分散度而且敏感栅材料的电阻率也随环境温度而变化这都会引起电阻的改 变（3）由于各电阻应变计的引出线及连接导线的长

15、度不同温度变化可引起电桥导线 的电阻变化（4）不同材料如康铜镍等焊点之间存在着较小的热电势也可以引起电阻变化（5）弹性元件与外壳的温度系数不同弹性元件曲率的影响大气压 波动等影响。虽然比上述各项影 响小但也会使电阻值稍有变化。 对于这些误差，在桥路设计以及后续电路设计中已经采取相应措施。 另外，影响称重传感器稳定性的因素主要有：（1）称重传感器的结构称重传感器的弹性元件、外壳、膜片及上压头、下压垫的设计，都必须保证受载后在结构上不产生性能波动，或性能波动很小。为此在称重传感器设计时，应尽量作到应变区受力单一，应力均匀一致；贴片部位最好为平面；在结构上保证具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力；安

16、装力远离应变区，测量时应避免载荷支承点的位移。尽管称重传感器属于装配制造产品，但为了保证具有最佳技术性能和长期稳定性，尽可能将它设计成一个整体结构。（2）机械加工与热处理工艺弹性元件在机械加工过程中，由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力，切削用量越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力最大。因此应制订合理的加工工艺和规定适当的切削用量。弹性元件在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和金属材料相变等原因，在芯部和表层产生方向不同的残余应力，其芯部为拉应力，表层为压应力。必须通过回火处理工艺，在其内部产生方向相反的应力，与残余应力相互抵消，减少残余应力的影响。（3）电阻应变计与应变粘结剂电阻应变

17、计应具有最佳性能，要求灵敏系数稳定性好，热输出小，机械滞后和蠕变小，应变量为1500×10-6时疲劳寿命可达108，电阻值偏差小，批次质量均一性好等。应变粘结剂应具有粘结强度大，抗剪强度高；弹性模量较大且稳定；电绝缘性能好；具有与弹性元件相同或相近的热膨胀系数；蠕变和滞后小；固化时胶层体积收缩小等。粘贴电阻应变计时一定要严格控制胶层厚度，因为粘结强度随胶层厚度的增加而降低。这是由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面上的内应力很小，产生气泡和缺陷的几率也比较小，应变传递性能好，只要防护密封合理就可达到较高的稳定性水平。（4）制造工艺流程应变式称重传感器的工作原理和

18、总体结构决定了，在生产工艺流程中有些工序必须手工操作，人为的因素对称重传感器的质量影响较大。因此必须制订科学合理并可重复的制造工艺流程，并在其中增加电子计算机控制的自动化或半自动化工序，尽量减少人为因素对产品质量的影响。（5）电路补偿与调整应变式称重传感器属于装配制造，贴片组桥后就形成了产品，由于内部不可避免的产生一些缺陷和外界环境条件的影响，称重传感器的某些性能指标达不到设计要求，因此必须进行各项电路补偿与调整，提高称重传感器本身的稳定性和对外部环境条件的稳定性。完善而精细的电路补偿工艺，是提高称重传感器稳定性的重要环节。（7）防护与密封防护与密封是称重传感器制造工艺流程中的要害工序，是称重

19、传感器耐受客观环境和感应环境影响而能稳定可靠工作的根本保障。如果防护密封不良，粘贴在弹性元件上的电阻应变计及应变粘结剂胶层，都会吸收空气中的水分而产生增塑，造成粘结强度和刚度下降，引起零点漂移和输出无规律变化，直至称重传感器失效。因此有效的防护密封是称重传感器长期稳定工作的根本保证，否则将使各项工艺成果前功尽弃。（8） 稳定性处理提高称重传感器的稳定性除处理好上述各种因素的影响外，最重要的途径就是采取各种技术措施和工艺手段，模拟使用条件进行有效的人工老炼试验，尽量多的释放残余应力使其性能波动减至最小。5总结为期两个星期的传感器课程设计结束了，从拿到题目开始，我便开始通过各种途径寻找资料，通过借阅书籍，网上查询以及和同学讨论交流等方式，最终完成了双梁式S型称重传感器的设计。课程设计是一个将所学理论应用于实际的过程