电阻应变片压力传感器设计
《电阻应变片的压力传感器设计》
题目电阻应变片的压力传感器设计时间 201608
班级 2014级
姓名
序号
指导教师
教研室主任
系教学主任
2016年08月
前言
随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。
传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。
随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。
本次课程设计的是一个大量程称重传感器，测量范围为1t到100t。
本次课程设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。
传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。
目录
1、课程设计目的和要求-----------------------------------------------------1
2、课程设计任务-----------------------------------------------------------2
3、方案的选择-------------------------------------------------------------3 3.1方案的制定------------------------------------------------------------3
3.2 方案的确定-----------------------------------------------------------4
4、材料的选择-------------------------------------------------------------6
4.1 弹性元件-------------------------------------------------------------6
4.1.1 弹性元件材料-----------------------------------------------------6
4.1.2弹性元件材料------------------------------------------------------7
4.2 应变片的选择---------------------------------------------------------8
4.2.1电阻应变片类型的选择----------------------------------------------9
4.2.2应变计的材料------------------------------------------------------9
4.3应变计主要参数的确定-------------------------------------------------10
5、外壳尺寸确定-----------------------------------------------------------11
6、测量电路的设计与计算---------------------------------------------------12
6.1电桥电路的设计与计算-------------------------------------------------12
6.2交流电压输出电路-----------------------------------------------------13
6.3放大电路-------------------------------------------------------------13
6.4滤波电路-------------------------------------------------------------16
6.6数字显示电路---------------------------------------------------------16
7、误差来源与精度分析-----------------------------------------------------18
8、相关元器件的确定-------------------------------------------------------19 参考资料--------------------------------------------------------------- 20 心得体会--------------------------------------------------------------- 21
附录一常用芯片引脚图-------------------------------------------------- 22
附录二传感器电路处理总图---------------------------------------------- 25 附录三传感器外观设计图------------------------------------------------------------------------ 26
1、课程设计目的和要求
1．传感器原理课程设计是测控技术与仪器专业的必须完成的一个课程设计。是一个重要的教学环节，通过本设计，培养学生理论联系实际的设计思想，训练综合运用传感器设计和有关先修课程的理论，结合实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固加深有关传感器设计方面的知识。
2．通过制定设计方案，合理选择传感器结构和相关元件类型，正确计算、选择各零件和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握传感器设计过程和方法。
3.进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、
图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。
4.通过设计环节的实际训练，加深学生对该课程基础知识和基本理论的理解和
掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，使之在理论分析、设计、计算、制图、运用标准和规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学态度。
2、课程设计任务
题目:基于电阻应变片的压力传感器设计
初始条件：采用电阻应变片设计测量力、压力、加速度、位移等物理量的传感器，设计时自行确定被测变量及测试范围，并根据测量的需要选择应变片的型号、数量、粘贴方式以及弹性元件的结构形式、相关测试电路等。
要求：
1．正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥；
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（包括放大电路、相敏检波电路、低通滤
波电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；
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）；
6. 按机械制图标准绘制机械装配图（3号图纸）、弹性元件图（4号图纸）各一
张。
3、方案的选择
此次传感器课程设计选用应变式拉压传感器。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，而弹性元件的应变大小可以通过应变片电阻大小的变化量来求得。故可以通过选择不同的弹性元件和测量电路来提出不同的方案。
3.1 方案的制定
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/压力上主要用到的是柱式传感器。柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种，如图 2.1.1所示。（a 是实心，b 是空心）
图3.1 柱式传感器的弹性元件
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R ，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。常用的有两臂差动电桥和全桥电路，如图2.1.2所示。
图3.2 直流电桥电路
3.2 方案的确定
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=SE F
E l l =
=?σ (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
由于 F / S ≤[σ] (3-2)
而 S=πd 2
/ 4 (3-3) 式中d 为实心圆柱直径。 则直径 d ]
[4σπF
≥
(3-4) 空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。
同理 4
d 22）
（-=D S π (3-5)
式中：D ——空心圆柱外径； d ——空心圆柱内径。 根据式（3-2）和式（3-5）可知
]
[)(4
22σπ
F d D ≥
- (3-6)
所以 D 2]
[4d F
+≥
σπ (3-7) 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 (3-8) 式中L 为应变片的基长。对于空心的圆柱为
H ≥D-d+L (3-9) 此外，
因此，经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。 电路转换部分
一般电桥的输出电压为
)
)((43213
241i
o R R R R R R R R U U ++-= (3-10)
如图3. 2，两臂差动电桥电路的电压输出为
)
)(()(4322113
22411i
o R R R R R R R R R R R R U U +?++?+?+-?+=）（… （3-11)
设初始时R R R R R ====4321,工作时一片受拉一片受压，即R R R ?=?-=?21,则式
（3-11）可以简化为
εK =??=
2
2i
i o U R R U U （3-12）
差动电桥电压灵敏度为
2
i
U U =
K （3-13） 同理若采用四臂电桥，如图 3.2所示并设初始时R R R R R ====4321，工作时
R R R R R ?=?-=?=?=?2341时，输出为
i i o U U R
R
U εK =?=
（3-14）
四臂电桥的电压灵敏度为
i U U =K （3-15）
通过比较其电压灵敏度知四臂电桥（全桥）电路的灵敏度高，故选用四臂电桥电路。
4、材料的选择
4.1 弹性元件
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。
4.1.1 弹性元件材料
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： (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。
常用材料：结构钢CrNiMo,30CrMnSiNi2A ）、铝合金、钛合金……。 材料的弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数如下表所示
表4.1 常用材料弹性模量泊松比
经过比较知结构钢的弹性模量最大，热膨胀系数最小，适合应用制作负重大的传感器，故本次课程设计选用结构钢30CrMnSiNi2A
4.1.2 弹性元件的参数计算
由4.1.知本次课程设计采用的是结构钢30CrMnSiNi2A ，查表得E =200Gpa ，=b σ1080MPa 取μ=0.3，29.8m g = 根据许用应力计算公式 [σ]=
s
s
n σ ，当安全系数s n 取2得：
[]MPa MPa
n s
s
5402
1080==
=σσ 根据公式 (3-6) 得：
[]
26
3max
2
218.181410
54080.910100)(4
mm F d D S =???=≥
-=
σπ
又因为应变片的应变比小于1500με,取ε0=1000με当弹性体的应变比ε1小于ε0才不至于损坏应变片 ，由式（3-1）可得
2
6
930max 20.490010
10001020080.910100mm E F S =?????=≥-ε 当弹性体的截面积同时大于S 1 ，S 2 时才能满足整体的设计要求。
S =max[S 1 ，S 2]= 20.4900mm
当传感器过载50%时，根据公式S
F
=
σ可求的 a 30010
0.4900%15080.9101006
3MP =????==-S F σ a 540][MP =<σσ
所以知超载50%时，弹性元件受到的应力在许用应力范围内。
弹性元件的外径D 不能选择太小，否则会由于力的偏心造成很大的误差。在实际计算时先按照额定载荷F ，根据材料的参数求得[σ]=540MPa ，取D=10.0cm 根据
S D ≥-4
d 22）
（π可得
cm 13.610490041.04d 6
-2
2
=??-
=-
≤π
π
S
D
取d ＝6.0cm
这样空心管的壁厚为：
t ＝cm d D 0.2)(2
1
=-
柱高的确定
对于圆柱筒式传感器 有 ≈+-≥H L D d 5cm
为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高应该选得小些，但又必须使应变片能够反映截面应变的平均值，所以可取H=6.0cm
检验是否会出现局部失稳，根据薄壁管的失稳临界应力计算公式可得：
a 26.30a 3.013106102
1100.21020013d 21t
22-2
-92bm P =P -?+???=-+=
G D E ）（）（）（）（μσ
bm σ远大于[σ]=540MPa ，故在超过量程50%的载荷作用下，不会出现局部失稳。
4.2 应变片的选择
4.2.1电阻应变片类型的选择
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。
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，在-30—+350 度范围内稳定工作； (2) 散热条件较好；
（3）在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好；
(4)适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便； (5)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
4.2.2应变计的材料
电阻应变计简称应变计（亦称为电阻应变片或简称应变片）。它由四个部分组成。 第一是电阻丝（敏感栅），它是应变计的转换元件。
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。
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。
(1)材料的选用原则
应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求：
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
目前国内还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，常用的有康铜、镍铬、卡玛合金、镍铬硅锰等合金。其各自性能分别如下表所示：
表4.2常用的应变计材料
有表可知：电阻温度系数较小而且稳定，同时它的Ks对应变值的稳定性非常高，不但在变形的弹性范围Ks持为常数，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。
所以本课程设计采用是材料为康铜的应变片。
（3）基底、引线材料和粘合剂
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。
基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.03～0.05mm，本次设计采用胶基；
引线材料是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线；
黏合剂材料用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。本次设计采用有机粘结剂。
4.3应变计主要参数的确定
箔式应变计的敏感栅是用厚度为0.002～0.005毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成。基底是在箔的另一面涂上树脂胶，经过加温聚合而成，基底的厚度一般为0.03～0.05mm。
图4.2应变计的结构图4.3 敏感栅的尺寸
基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数：
表4.3 应变片参数
5、外壳尺寸确定
实物图如下所示
图5.1 柱式传感器实物图具体设计图参考附录中的图。
6、测量电路的设计与计算
6.1电桥电路的设计与计算
依照课程设计中的方案选择知使用的电桥为全桥电路。在实际测量中，作用力不可能正好通过柱体的中心轴线，所以这样的柱体弹性元件除了受到拉（压）外，还受到横向力和弯矩。通过图6.1所示应变片的粘贴、连接
方法可以减小这种影响。 图6.1 应变片的粘贴和连接方法
图中各应变片上的应变分别为 t 4411''εεεεεε+==== t 3322''εμεεεεε+-==== 式中：t ε为温度引起的虚假应变。
根据桥式电路输出为
i t i o 1]
2121[144U U U εμεεμε
μK +≈+-++K =
）（）（）（ （6-1）
电桥电压灵敏度为
i 1U U ）（μ+=K （6-2）
电路设计中，应变片的连接如右图所示，对应图6.1所示的应变片接法。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 图6.2 全桥的电路设计
的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U 0=0V ，为了保证足够的调整精度，电位器为多圈电位器。
6.2交流电压输出电路
ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路. 频率(或重复频率) 的选定从0.001hz到300khz 可以选用电阻器或电容器来调节, 调频及扫描可以由同一个外部电压完成. ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，输出由温度和电源变化范围广而决定. 这个芯片和锁相回路作用，具有在发生温度变化时产生低的图6.3交流电压输出电路
频率漂移，最大不超过250ppm／℃
特点：1、具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；
2、正弦波输出具有低于1％的失真度；
3、三角波输出具有0．1％高线性度；
4、具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽；
5、2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围；
6、从TTL电平至28V；
7、具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；
8易于使用，只需要很少的外部条件
取RA=RB=10KΩ，输出的波占空比为50%。端口9输出的是方波，端口2输出的是正弦波
6.3放大电路
来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB。
结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。具体的电路如图6.3所示
图6.4 三运放高共模抑制比放大电路
它由三个集成运算放大器组成，其中N1，N2为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1，N2的共模信号，并适应接地负载的需要。
由输入级电路可写出流过Ro ，R1，R2的电流R I 为 o i1
i27o1i18i2o1u u u u u u R R R R -=-=-=
I （6-2） 由此求得 i2o 7i1o 7o1u u 1u R R R R -+=
）（，i1o
8i2o 8o2u u 1u R R R R -+=）（ （6-3） 于是，输入级得输出电压，即运算放大器N2与N1输出之差为
））（（i1i2o
8
7o1o2u u R R R 1u u -++
=- （6-4） 其差模增益d K 为
o
8
7i1i2o1o2d 1u u u u R R R ++=--=
K （6-5）
由上面公式可知，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在Ro 两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不
要求外部电阻匹配。但为了消除N1，N2片偏置电流等的影响，通常取R7=R8.另外，这种电路还具有增益调节能力，调节R14可以改变增益而不影响电路的对称性。
根据共模抑制比定义，可求得输入级的共模抑制比为
CMRR 12=CMRR 1×CMRR 2/︱CMRR 1-CMRR 2︱ （6-6） 式中的CMRR 1、CMRR 2分别为N1、N2的共模抑制比。 当R 9=R 10、R 13=R 14时，运算放大器N3的差模增益为9
13
d3R R =K 整个电路的共模抑制比为
CMRR=(K d CMRR 3× CMRR 12)/( K d CMRR 3+ CMRR 12) （6-7） 式中CMRR 3－运算放大器N3的共模抑制比
为了获得高的共模抑制比，必须选取集成运算放大器N3具有高的共模抑制比，同时精选外接电阻，尽量使R 10=R 11、R 12=R 13精度应控制在0.1％内。而且通常将输入级的增益Kd 设计得大些，输出级的增益Kd3设计得小些。这种电路由于N1,N2的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比CMRR ≥120dB ，共模输入电压范围为＋6～－10V ，总增益1～10000（Rp 为几十至几百欧姆）。
如果在N3的两输入端之间接入共模补偿电路，则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比。改变Rp 阻值可将共模增益调整到最佳点。
所以，可以得到放大电路的总增益为
9
13
o 87d3d 11R R R R R ）（++
=K ?K =A （6-8）
6.4滤波电路
由于测量过程中不可能做到理想化，故会产生一些杂波，同时电路还会受到噪声信号的干扰，因此，需要对检测到的信号进行滤波处理。本次课程设计中采用的滤波电路为压控电压源低通滤波电路。
其参数如下：
17
18
f p 1R R +
=K =K (6-9) 211916C C R R =ω (6-10)
C
R R R C 19f 1916111
11K -++=
?）（ω (6-11) 图6.5 压控电压源型低通滤波电路 6.5数字显示电路
数显电路主要器件由芯片MC14433和共阴极半导体数码管LED 组成。
图6.6 数字显示电路
MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片3位半A/D 转换器，它适合构成带B 码输
出的3位半LED 显示数字电压表，是目前应用较为普遍的一种低速A/D 转换器。
MC14433的性能特点：
（1）MC14433属于CMOS 大规模集成电路，其转换准确度为±0.05%。内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。能获得超量程（OR ）、欠量程（UR ）信号，便于实现自动转换量程。能增加读数保持（HOLD ）功能。
（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式，通常选用共阴极LED数管。
（3）有多路调制的BCD码输出，可直接配μP构成智能仪表。
（4）工作电压范围是±4.5 V～±8V，典型值为±5V，功耗约8mW。
电阻应变式传感器.
电阻应变式传感器 应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。 应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。 应变式传感器特点 ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻； ④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。 1、应变式传感器的工作原理 (1) 金属的电阻应变效应 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。 公式推导： 若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则: (9.1)
如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S 变化dS，电阻率ρ变化，因而引起电阻R变化dR。将式(9.1)微分，整理可得: (9.2) 对于圆形截面有： (9.3) 为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数μ，负号表示符号相反，有: (9.9) 将式(9.9)代入(9.3)得: (9.5) 将式(9.5)代入(9.2)，并整理得： (9.6) (9.7) 或 K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
公式简化过程： 由式可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响： 一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。对于金属材料项比项小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可以写成： (9.8) Array通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。 通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。 (2) 应变片的基本结构及测量原理 距 用面积。应变片的规格 一般以使用面积和电 阻值表示，如 2 为 的电阻丝制成的。 高的阻值， 栅状， 在绝缘的基底上。 两端焊接引线。
电阻应变片压力传感器设计
《电阻应变片的压力传感器设计》 题目电阻应变片的压力传感器设计时间 201608 班级 2014级 姓名 序号 指导教师 教研室主任 系教学主任 2016年08月 前言
随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。 随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。 本次课程设计的是一个大量程称重传感器，测量范围为1t到100t。 本次课程设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。 传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。 目录
电阻应变片式传感器
电阻应变片式传感器 应变式传感器已成为目前非电量电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。它具有以下几个特点。 （1）精度高，测量范围广。对测力传感器而言，量程从零点几N 至几百kN ，精度可达0.05%F S ?（F S ?表示满量程）；对测压传感器，量程从几十Pa 至11 10Pa ，精度为0.1%F S ?。应变测量范围一般可由数με（微应变）至数千με（1με相当于长度为1m 的试件，其变形为1m μ时的相对变形量，即6 1110μεε-=?）。 （2）频率响应特性较好。一般电阻应变式传感器的响应时间为710s -，半导体应变式传感器可达1110 s -，若能在弹 性元件设计上采取措施，则应变式传感器可测几十甚至上百kHz 的动态过程。 （3）结构简单，尺寸小，质量轻。因此应变片粘贴在被测试件上对其工作状态和应力分布的影响很小。同时使用维修方便。 （4）可在高（低）温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作。 （5）易于实现小型化、固态化。随着大规模集成电路工艺的发展，目前已有将测量电路甚至A/D 转换器与传感器组成一个整体。传感器可直接接入计算机进行数据处理。 （6）价格低廉，品种多样，便于选择。 但是应变式传感器也存在一定缺点：在大应变状态中具有较明显的非线性，半导体应变式传感器的非线性更为严重；应变式传感器输出信号微弱，故它的抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；应变式传感器测出的只是一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等。 尽管应变式传感器存在上述缺点，但可采取一定补偿措施，因此它仍不失为非电量电测技术中应用最广和最有效的敏感元件。 一、电阻应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应。电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。其中半导体材料在受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象叫应变片的压阻效应。 导体或半导体的阻值随其机械应变而变化的道理很简单，因为导体或半导体的电阻L R S ρ=与电阻率及其几何尺寸
电阻应变式压力传感器的设计精品
传感器与检测技术 电阻应变式压力传感器的设计 电阻应变式压力传感器的设计 1. 、方案设计 原理框图如图一所示 数显表头低通滤波相敏检波U 过零比较器 2.2应变片检测原理 电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。 设一根电阻丝，电阻率为?，长度为I,截面积为S,在未受力时的电阻值为
丄----- ① S 如图一所示，电阻丝在拉力F作用下，长度I增加，截面S减少，电阻率T也相 应变化，将引起电阻变化△ R,其值为 . . ：l S , —-p ————② RIS^ 对于半径r为的电阻丝，截面面积S—：r2，则有：ss—2：n r。令电阻丝的 轴向应变为；- J.I，径向应变为?汀r =—巩.丄|)一；，；由材料力学可知， 为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得 空—(1+2忙三 R ? 通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为 AP P / 从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何尺 受力引起(1 ^1);由材料电阻率变化引起的(，1耳；_1。对于金属丝材料, (;_1项的值比(1,2丄)小很多，可以忽略，故K = 1 。大量实验证明在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数通常金属丝的—1.7?3.6。④可写成 2.3弹性元件的选择及设计 本次设计对质量的检测是通过对压力的检测实现的，所以弹性元件承受物重也即压力，这就要求弹性元件具有较好的韧性、强度及抗疲劳性，通过查设计手册，决定选取合金结构钢
实验一电阻应变片传感器特性实验
实验一、二 电阻应变片传感器特性实验 一、 实验目的： 1．了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 2．比较半桥，全桥测量电路与单臂电桥的不同性能、了解各自的特点。 二、 基本原理： 敏感元件—金属箔在外力作用下，其电阻值会发生变化。即金属的电阻应变效应。根据推导可以得出： l l k l l l l l l R R ?=???++=?++?=?02121）（）（ρρμρρμ “应变效应”的表达式。k 0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k 0受两个因素影响，一个是（1+μ2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是） （ρερ ?，是材料的电阻率ρ随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料 而言，以前者为主，则 μ210+≈k ，对半导体，0 k 值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸 比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数k 0=2左右。 用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系εσE = （4） 式中 σ——测试的应力； E ——材料弹性模量。 可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。 单臂电桥：即应变片电阻接入电桥的一臂，测出其电阻变化值，结构比较简单，但是灵敏度较差； 半桥：把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EG ε／2。式中E 为电桥供电电压。 全桥：测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U 03＝KE ε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善 三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V 电源、±5V 电源、万用表。 四、实验内容与步骤： 1、应变片的安装位置如图（1－1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R 2、R 3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。 R1 R2 R3R4 图1－1 应变式传感器安装示意图 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 2、接入模板电源±15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi 相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V 档）。关闭主控箱电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。） 3、按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、
应变片电阻式传感器测压力实验报告
设计目的 了解应变直流电桥的应用及电路的标定 基本原理 一应变片传感器 电阻应变片压力传感器由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成 1 应变片的工作原理 电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。 电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：
S L R ρ= 式中： ρ——金属导体的电阻率（Ω·m ） S ——导体的截面积（2m ） L ——导体的长度（m ） 以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 2 全桥电路 应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R ，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。这里使用全桥电路，如下图所示。
(完整版)四种压力传感器的基本工作原理及特点
(1) 1 dR d R dA A 四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上， 使它产生变形，在其变形的部位粘 贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称 为电阻应变式压力传感器。 1.2电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片 箔式应变片是以厚度为0.002―― 0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔 栅宽度为0.003――0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝 （直 径0. 015--0. 05mm ），平行地排成栅形（一般2――40条），电阻值60――200 ?， 通常为 120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即 制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于 待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时， 电阻片 也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 I 绘式应吏片 b ）笹式应变片 材料的电阻变化率由下式决定:
式中; R—材料电阻2
3 —材料电阻率 由材料力学知识得; K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分 dR 、dL 改写成增 量出、/L,可得 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形 而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了 ZR 的变化，也就得 到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 「测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括彳测中压用的膜片一一应变筒式压力传感器 -测高压用 的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片一一应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有 较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、 动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。 适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如 火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性 较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于 0.5%，同时又有较高 的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片一应变筒式压力传感器相比， 自振频率较低，因此在低dR "R [(1 2 ) C(1 2 )]
应变式测力传感器设计
1前言 1.1研究课题背景及意义 应变式测力传感器早已在众多测控领域中得到了广泛的应用，尤其在测量重量方面，其技术已非常成熟。所以，国内外众多科技人员努力争取更大的突破。得到更优良的弹性体结构，非常合适的弹性体材料，合乎测量要求的应变片，完善的测量电路及补偿电路是需要努力的。当然，非常好的外观质量也是一大竞争力。现已有的应变式测力传感器大致有这么几种：桥式、剪切梁式、单点式、柱式、轮辐式、板式、平行梁式、S型。它们主要用于称重领域。国外企业在以下几个方面进行了许多研究和实验工作，如结构设计、制造工艺、电路补偿及调整、稳定性方面。并取得了一定的进展。这些进展主要包括在设计和计算过程中引入了先进的分析方法，如用计算机拟实技术进行动态仿真和动力学分析及工艺设计过程里运用虚拟技术，对生产工艺进行仿真检验。在弹性体加工方面，使用先进制造技术，将刚性制造转为柔性制造，加工中心、柔性制造系统和柔性制造单元得到普遍采用。在生产过程中尽量采用半自动和自动控制、自动检验程序和计算机网络技术。改进了工艺装备也是主要成就之一。最终提高了应变式测力传感器的稳定性和可靠性。 转子在高速运转过程中，由于种种原因，诸如转子的偏心问题，会产生不容忽视的径向力，使转轴的径向误差加大。在自动控制系统中，便需要得到径向力这个信号，然后对执行机构才能进行控制。要得到理想的控制刚度，不仅需要控制系统的稳定可行，测试系统的重要性同样不可忽视。所以，传感器性能的好坏和选取的是否恰当是个非常关键的问题。在现有的径向力测量中，人们并不是直接去测径向力的值，而是将其转化为其它量，比如位移量。然后使用位移传感器进行测量，控制径向位移量便使得径向力引起的问题得到解决。在高速运转的系统中，如磁悬浮系统，人们便广泛采用这样一些位移传感器：电容式传感器、电涡流式传感器、电感式传感器。并都取得了不错的测量控制效果。但是，还不能忽视他们的缺点。电容式传感器，其电容小，容易受到外界诸多因素的影响，在高速旋转的转子系统中其可靠性大大降低。电涡流式传感器相对来讲比较合适，但是当附近存在高频磁场和工作的高频开关器件，它的可靠性也将变得不理想。电感式传感器由于自身的频率响应特性不适合于快速动态测量。 其实在转子系统中，转子肯定要有轴承支承。前面所讲都是将传感器作为一个附属测量器件，纯粹起测量作用。考虑轴承的刚度问题和受力问题，一个新的测量方向便产生了，何不设计一个既能其支撑作用，就像轴承一样，又起测量作用个，就像传感器一样。如果要同时具有这两种作用，那么前面所说的电容式传感器、电涡流式传
电阻应变式压力传感器设计说明
传感器与检测技术电阻应变式压力传感器的设计 学院：信息技术学院 指导老师：蔡杰 班级：B1106 ：佳林 学号：0915110629
目录 一、设计任务分析 (2) 二、方案设计 (2) 2.1原理简述 (2) 2.2应变片检测原理 (3) 2.3弹性元件的选择及设计 (4) 2.4应变片的选择及设计 (5) 三、单元电路的设计 (6) 3.1电桥电路的设计 (6) 3.2放大电路的设计 (6) 3.3移相器的设计 (7) 3.4过零比较器的设计 (8) 3.5相敏检波电路的设计 (9) 3.6低通滤波器的设计 (9) 四、误差分析 (10) 五、心得体会 (10) 六、致 (11)
电阻应变式压力传感器的设计 一、设计任务分析 采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量（压力）传感器，具体要求如下： 1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥； 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， 3.并根据测试极限围进行校核； 4.完成传感器的外观与装配设计； 5.完成应变电桥输出信号的后续电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通 滤波电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图； 二、方案设计 2.1原理简述 电阻应变式传感器为本设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重 力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输 出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显 示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。 本设计所测质量围是0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对 应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏检波电路， 移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。 原理框图如图一所示。 （质量）压力电阻应变片交流电桥5KHZ交流 放大器移相器数显表头 过零比较器 相敏检波 低通滤波
基于电阻应变片的压力传感器设计
前言 随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。 随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。 本次课程设计的是一个大量程称重传感器，测量范围为1t到100t。 本次课程设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。 传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。
电阻应变式测力仪 切削力
传感器课程设计 题目: 应变式测力仪 指导教师: 班级: 机检 姓名:
摘要 随着切削加工向着高速、高精度、高度自动化方向发展，对切削过程的监控技术也提出了越来越高的要求，而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并不具备加工过程的监控功能。为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能，确保加工质量，提高生产效率，对刀具加工过程进行状态监测与控制就越来越重要。大量的研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反映出来。检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监测方法之一，但这些方法在使用时或多或少地要改变机床的原有部件，影响机床的系统特性，并且在机械加工过程中，车削测力仪的应用最为广泛。针对这些问题，需要设计出一种外型尺寸和使用状态都类似于普通外圆车刀的车削测力仪。 本文针对电阻应变式传感器对切削力的测量进行设计，应变式传感器具有灵敏度和精度高，性能稳定、可靠、尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重要测试中有非常广泛的应用。 关键词：应变式测力仪；弹性元件；电阻应变；切削力
应变式测力仪 目录 一概述·····················································································································- 2 -二应变式测力仪的工作原理及组成·····································································- 2 - 2.1工作原理····································································································- 2 - 2.2传感器的组成····························································································- 3 - 2.2.1 敏感元件·······················································································- 3 - 2.2.2转换元件························································································- 3 - 2.2.3测量电路························································································- 3 - 2.2.4辅助电源························································································- 3 -三切削测力传感器的主要性能及要求·································································- 4 - 3.1金属切削测力仪主要性能指标的基本要求············································- 4 - 3.2弹性体的设计过程必须满足的要求························································- 4 - 3.3提高应力水平的应力集中原则································································- 5 -四应变式测力仪的结构设计·················································································- 6 - 4.1应变式测力仪的测量原理········································································- 6 - 4.2 弹性敏感元件的设计···············································································- 6 - 4.2.1剪切梁式测力传感器的工作原理················································- 6 - 4.2.2应变片的布局方位········································································- 7 - 4.3 应变片的选择···························································································- 8 - 4.3.1结构形式的选择············································································- 9 - 4.3.2尺寸的选择····················································································- 9 - 4.3.3 阻值的选择···················································································- 9 - 4.3.4使用温度的选择············································································- 9 - 4.4 电路的设计·······························································································- 9 - 4.5 元件清单·································································································- 11 -小结·························································································································- 11 -参考文献·················································································································- 12 - - 1 -
电阻应变片的压力传感器设计
湖南科技大学 传感器课程设计 题目 作者 学院机电工程学院 专业测控技术与仪器 学号 指导教师 二〇一七年六月十日
应变式传感器应用广泛，很多地方都得以应用，而本次课程设计的重点是设计一个应变片柱式传感器用来称重。研究的重点是传感器的基本原理，其中包括基本的理论分析、弹性元件的选材、弹性元件的尺寸设计、应变的选材、应变校验等。 课程设计的内容包括：掌握和了解相关传感器的基本测量方法和研究动态、制定传感器测量方案、进行必要的理论计算分析、用CAD对传感器结构及零件进行设计、对转换电路进行计算和设计等。 关键词：圆柱式、应变片、称重、形变
一、工作原理及特点——————————————————1 1、工作原理————————————————————————1 2、测量特点————————————————————————1 二、柱式传感器结构设计————————————————2 1、弹性元件材料的选定及要求————————————————2 2、弹性元件材料的处理———————————————————3 3、几种应变片的比较及选定—————————————————3 4、应变片材料的选定及要求—————————————————4 三、相关理论分析———————————————————6 1、弹性敏感元件的特性参数计算———————————————6 2、应变片参数的计算————————————————————7 3、弹性元件变形与应变片电阻值关系—————————————7 四、电路的设计————————————————————9 参考文献—————————————————————10
电阻应变式传感器
1.一丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值100Ω，试求当试件受力后的应变为1.8?103 时该应变计的电阻变化ΔR。 2.一试件受力后的应变为2?10-3；丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120Ω，温度 C0/，线膨胀系数为14?10-6C0/；试件的线膨胀系数为12?10-6C0/。试系数-50?10-6 求：温度升高20℃时，应变计输出的相对误差和相对热输出。 3.在悬臂梁的上下方各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R1和R2。若应变片的灵敏系数 k=2，电源电压U=2V，当悬臂梁顶端受到向下的力F时，电阻R1和R2的变化值ΔR1=ΔR2 =0.48Ω，试求电桥的输出电压。 4.图为一直流应变电桥，图中U=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求： ①R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U O。 ② R1、R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻， 电桥输出电压U O。 ③题②中，如果R2与R1的感受应变的极性相反且ΔR1=ΔR2=1.2Ω，电桥输出电压U O。 5.图3-6为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏 度系数K=2.05，未受应变时，R1=120Ω，当试件受力F时， 应变片承受平均应变ε=800μm/m，试求： ①应变片的电阻变化量R1和电阻相对变化量ΔR1/R ②将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电流电压为直流3V，求电桥输出电压及 电桥非线性误差。
③若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差的大小。 6.利用悬臂梁结构可以构成称重传感器。试就在悬臂梁的上下方各贴一片金属应变片组成 差动半桥和各贴二片金属应变片组成差动全桥时的应变电阻片的布贴方式、电桥连接方法和相应的输出电压大小做出说明, 并说明其差动和温度补偿的原理。 7.一个初始阻值为120Ω的应变片，灵敏度为K=2.0，如果将该应变片用 总阻值为12Ω的导线连接到测量系统，求此时应变片的灵敏度K’。 8.采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其粘贴在如图所示的实心圆柱形测力 弹性元件上。已知力F=10kN，圆柱横截面半径r=1cm，材料的弹性模量2 10-7 N/cm2，泊松比μ=0.3。 （1）画出应变片在圆柱上的粘贴位置及相应的测量桥路原理图。 （2）求各应变片得应变及电阻相对变化量。 （3）若电桥供电电压U=6V，求桥路输出电压U o。 （4）此种测量方法能否补偿环境温度对测量的影响，说明理由。
传感器技术课程设计(应变式测力仪)
成绩评定： 传感器技术 课程设计 题目应变式测力仪 院系电子工程学院 专业 姓名 年级电 指导教师蔡苗苗 2014年 11 月
摘要 电阻应变式传感器具有灵敏度和精度高，性能稳定、可靠、尺寸小，重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快等优点，且能在恶劣的环境下工作，在力、压力和重力要测试中有非常广泛的应用。所以电阻应变式力传感器制作的电子称具有准确度高，易于制作，简单实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特点。 对于电阻应变片式测力传感器（以下简称“测力传感器”）来说，弹性体的结构外形与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的外形及相关尺寸。假如测力传感器的弹性体设计不公道，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行公道的设计至关重要。 关键词：电阻应变片测力传感器精度灵敏度
目录 一、设计目的------------------------- 4 二、设计任务与要求--------------------- 4 2.1设计任务------------------------- 4 2.2设计要求------------------------- 4 三、设计步骤及原理分析 ----------------- 5 3.1设计方法------------------------- 5 3.2设计步骤------------------------- 6 3.3设计原理分析---------------------- 7 四、课程设计小结与体会 ----------------- 9 五、参考文献-------------------------- 9
压力传感器原理及应用
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，江苏省苏科仪表有限公司技术部的同志就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、应变片压力传感器原理与应用： 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）
电阻应变式压力传感器
电阻应变式压力传感器，实际指的是这款传感器产品的工作原理，即电阻应变式原理，对于我们普通的老百姓来说，这个原理让我们不明所以，但对于传感器的厂家来说，是深有研究甚至发展多年，已经有所突破。 行业内电阻应变式原理的解释是这样的：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，弹性体是电阻应变式称重传感器中不可缺少的部分。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。 以常见的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）（2--9） 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。
蚌埠高灵传感系统工程有限公司在自主创新的基础上开发生产出力敏系列各类传感器上百个品种，各种应用仪器仪表和系统，以及各种起重机械超载保护装置，可以广泛应用于油田、化工、汽车、起重机械、建设、建材、机械加工、热电、军工、交通等领域。公司除大规模生产各种规格的高精度、高稳定性、高可靠性常规产品外,还可根据用户具体要求设计特殊的非标传感器,以满足用户的特殊要求。如果您想进一步的了解，可以直接点击官网高灵传感进行在线了解。
(完整word版)电阻应变式压力传感器课程设计说明书
1绪论 1.1概述 传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。 1.2设计任务分析 采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量（压力）传感器，具体要求如下： 1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥； 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， 3.并根据测试极限范围进行校核； 4.完成传感器的外观与装配设计； 5.完成应变电桥输出信号的后续电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通 滤波电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图； 6.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）； 7.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）； 2方案设计 2.1原理简述 电阻应变式传感器为本课程设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。 本次课程设计所测质量范围是0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏检波电路，移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。
电阻应变式压力传感器课程设计说明书
传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。
摘要 (1) 第一章功能和意义 (2) 第二章传感器原理 (3) 2.1 原理框图 (3) 2.2 应变片检测原理 (4) 2.3 弹性元件的选择和设计 (4) 2.4 应变片的选择及设计 (5) 第三章电路设计 (6) 3.1 电源设计 (6) 3.2 交流电桥设计 (7) 3.3 放大电路设计 (8) 3.4 相敏检波电路设计 (9) 3.5 滤波器设计 (10) 第四章结论 (11) 第五章误差分析 (11) 第六章参考文献 (11) 第七章心得体会 (12)
一.功能和意义 信息技术已经成为当今全球性的战略技术，作为各种信息的感知，采集，转换，传输和处理功能器件传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测，自动控制系统中不可缺少的核心部件，传感器技术正深刻影响着国民经济和国防建设的各个领域。 电阻应变式传感器为本课程设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。 信号放大电路是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换处理或驱动指示器，记录器以及各种控制机构。 本次课程设计所测质量范围是0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏检波电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。