电阻应变式称重传感器设计 (修订版)

目录第1章电阻应变式称重传感器的原理 (2)1.1 称重传感器的组成部分 (2)1.2 工作原理 (2)第2章传感器弹性元件的设计 (3)2.1 弹性元件——五孔平行梁的特点 (3)2.2 五孔梁受力分析 (4)2.3 弹性元件材料选择 (5)2.4 五孔梁的尺寸选择 (6)第3章电阻应变片的选择 (7)3.1 应变片的工作原理 (7)3.2 应变片的结构选择 (7)3.2.1 电阻丝应变片 (7)3.2.2 箔式应变片 (8)3.2.3半导体应变片 (8)3.3 应变片的材料选择 (9)3.3.1 电阻敏感栅材料选择 (9)3.3.2 基底、引出线材料选择 (10)3.4 应变片的参数 (11)3.4.1 应变片基长 (11)3.4.2应变片的电阻值 (11)3.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限 (12)第4章变换检测电路设计 (12)4.1 桥路的设计 (12)4.1.1电路选择 (13)4.1.2桥路电压源的设计 (13)4.2 放大电路的设计 (15)4.3滤波电路设计 (16)第5章传感器的工艺设计 (17)5.1应变片的粘贴工艺 (17)5.2传感器的封装 (18)5.3 传感器装配 (18)第6章误差源分析以及处理 (18)第7章小结 (20)参考文献： (21)五孔平行梁传感器设计第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。

1.1 称重传感器的组成部分称重传感器主要由弹性体、电阻应变片、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四臂差动电桥,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 , 这时称重传感器的输出电压0U = 0mV 。

物料重量通过电子衡器的图 1 基本电路图托盘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 传感器弹性元件的设计2.1 弹性元件——五孔平行梁的特点电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式 柱式、筒式和环式 、弯曲式梁式和剪切式三大类。

为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度 ,将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，五孔梁就是其中有代表性的一种。

在悬臂梁中，又分为双孔平行梁、双连控平行梁、五孔平行梁、单空平行梁的结构。

在这其中，五孔平行梁量程大，精度高是其最大的特点。

五孔梁的结构如图2所示,在板状梁上有五个孔 ,在梁的端部有集中力作用时 ,孔内承受弯曲变形。

将应变片粘贴在孔的外壁 ,应变片处于相反的应力区内,当和的变形为拉伸时 ,和为压缩变形 ,四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。

应变片的粘贴方式如右图图2所示。

另外，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好 ,滞后小。

根据应力分布图可以看出 ,受力点位置变化时 ,左边孔的弯矩增加，右边孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置图2 五孔梁结构图 应变片×4的要求也有所降低。

在称重和测力领域 ,经常采用拉压式和弯曲式应变传感器 ,该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平 ,但由于拉压式称重测力传感器的高度直接影响精度和横向稳定性 ,而且力点移动对输出信号有影响 ,拉压对称性差 ,尤其是当安装条件和标准条件不一致时 ,引起的误差更难估计。

而五孔梁称重测力传感器有零弯矩区 ,高度小 ,对加载方式和受力点移动不敏感 ,且抗偏心、抗侧向力 ,所以我选用的称重传感器内部采用五孔梁作为弹性元件。

而近年来发展起来的梁式剪切称重测力传感器虽然消除了受力点变化对输出的影响 ,性能优良,但弹性体结构复杂 ,贴片也较困难 ,故本设计没有采用。

2.2 五孔梁受力分析力P 作用在理想位置O 处如图3所示在图8所示的结构中，可以把弹性体看作是上、下对称的平行梁式结构。

在上下面最薄处贴应变片。

通过将梁分为上下两个面，来分析受力。

应力：应变：W 为抗弯截面模量：W =(b(〖2ℎ)〗^2)/6根据上面公式，梁上各应变片粘贴处应变为a 图3 五孔平行梁受力分析ba采用差动电桥输出时灵敏度：可见这种传感器最大的特点是载荷的安防位置不会影响传感器输出信号。

2.3 弹性元件材料选择在任何情况下，弹性敏感元件应该保证具有好的弹性特性、足够的精度和稳定性，在长期使用中和温度变化时，都应保持稳定的特性，因而对材料的基本要求有以下几个方面：（1）弹性滞后和弹性后效要小；（2）弹性模量的温度系数要小；（3）线膨胀系数要小并且要稳定；（4）有良好的机械加工和热处理性能；（5）弹性极限和强度极限要高。

弹性元件常用几种材料的机械、物理性能如表2--1所示表2--1几种常用材料的机械、物理性能名称结构钢 铝合金 牌号弹性模量109N/mm 2208 210 198 71 71 抗拉强度σb106N/m 21320 1600 1100 580 490 屈服强度σ0.2106N/m 21260 1375 850 500 360 线膨胀系数α10-6/℃ 11．4 12.6811.0 23．1 22．740CrNiMo 302CrMnSiNi A 30CrMnSiA 4LC 12LY E弹性模量的温度系数αE（10-4/℃）—2．0 -2.5 －3．0 -5.3 —6．9 材料密度ρ7．80 7.79 7．85 2.3 2．78 比较这几种材料我发现结构钢中则是多用于制造小尺寸的弹性元件，其淬火时的淬透性差，而与在很多方面性能均相似，但是测力传感器弹性元件最常用的材料. 和都属于硬铝合金，它们均适合制造小量程测力传感器及动态传感器的弹性元件。

因而我最终选用LC4材料作为弹性元件的材料。

2.4 五孔梁的尺寸选择从课程设计的参考资料可设置五孔梁长A=150mm 宽B=29mm 高H=40mmL1=60mm L=30mm 。

设贴应变片处的梁孔的截面的高度为h 。

则 W =(b 〖2ℎ〗^2)/6 而LC4铝合金 E=71Gpa 由于此传感器的量程为0-2000N ，max P =2000N 在2.2中提到关于应变片的张贴位置，在四处贴应变处最大的应变为从课程设计给出的要求中，我们只需要确定在梁的最薄处的h ，通过h 我参数来实现我们传感器的要求，量程以及分辨率等等参数。

其中我们假定L3=50mm ，则力矩M=PL3那么为了达到我们的强度指标，在满量程的130%情况下还能够承受，可列出方程：δ=(P L1+PL3)×130%/（(b 〖2ℎ〗^2)/6）<抗拉强度σb6×(2600×0.06+2600×0.05)×130%0.029×4×ℎ2< 580×10−6 N/m 2得: h>4.6mmδ=(PL1+PL3)×130%/（(b 〖2ℎ〗^2)/6）<抗压强度σ0.26×(2600×0.06+2600×0.05)×130%0.029×4×ℎ2< 500×10−6 N/m 2得: h>4.8mm通过上面的分析，我们取h=5mm30CrMnSiA 40CrNiMo 302CrMnSiNi A 40CrNiMo 4LC 12LY当超过量程的130%后我们的梁还能够不损坏，说明我们的参数满足设计要求。

那么五孔悬臂梁的设计参数如下表：LL1 L2 L3 a h a 30mm60mm 30mm 50mm 29mm 5mm 150mm第3章 电阻应变片的选择3.1 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、截面积为、电阻率为的金属丝，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 xdR R d K ρρμεε==++ 故有 /s x R R K ε∆=3.2 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。

3.2.1 电阻丝应变片丝式结构应变片的结构图如图2所示图4 电阻丝应变片L A ρ1—基底 2—敏感栅 3—覆盖层4—引线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。

3.2.2 箔式应变片此箔式应变片的结构图如图3所示图 5 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。