基于电阻应变片的弓形测力仪

目录1 绪论 (2)1.1设计任务要求 (2)1.2任务分析及方案设计 (2)2 弓形弹性元件部分设计 (4)2.1弓形弹性元件材料选择 (4)2.2弓形弹性元件结构设计 (4)3 辅助部分设计 (6)3.1底座和置物台材料选择 (6)3.2底座和置物台结构设计 (6)4 电阻应变片的设计 (6)4.1电阻应变片的结构选择 (6)4.2敏感栅的材料选择 (7)4.3基底和引线的材料选择 (8)4.4粘接剂的材料选择 (8)4.5电阻应变片的阻值选择 (8)4.6电阻应变片的尺寸选择 (9)5 电路设计 (10)5.1桥路的设计 (10)5.2放大电路的设计 (11)6 参考文献 (14)基于电阻应变片的弓形测力仪-500克传感器设计1 绪论1.1 设计任务要求本课程设计要求采用电阻应变片设计测量压力的传感器，被测变量为压力0.1~500克的静态量压力，设计弹性元件的结构形式，合理悬着应变的型号，数量，黏贴方法，并完成相关测试电路的设计。

1.2 任务分析及方案设计本次课程设计要求设计测量0.1~500克的静态量压力，故采基于电阻应变式的弓形测力仪。

测力仪由四片弓形弹性元件组成，结构组成见图1.2(a)。

在每个弓形弹性元件上钻有小孔，应变片黏贴在孔边，并接成图1.2(c)的全桥线路，则度数应变中仅反映弯矩引起的应变，减少了非线性影响和以及进行温度误差的补偿，读数应变为：εi =4ε式中 ε——弓形弹性元件A-A截面处表面的弯曲应变。

电压U 图1.1 电阻应变式传感器组成原理框图将每个弓形弹性元件简化成如图1.2(b)的计算简图，就可以推导得到读数应变εi与压力P的关系为：εi=3EA∙hδ[11+1√(ab)2+(hb)2]P根据指示应变εi确定压力P为：P=EA3hδ[1+1√(ab)2+(hb)2]εi式中 A ——弹性元件A-A截面处的截面积，A=Bδ；δ——弹性元件的厚度；h ——弹性元件的高度；a，b ——弹性元件长度的方向尺寸，见图1.2（b）（1-1）图1.2 弓形弹性元件（1-2）由图1.2（a）可知，当传感器受载，在相同的轴向压力P作用下，弓形弹性元件弯曲，电桥就有输出。

可以选择弹性模量E小的材料和截面积F小，大的弓形弹性元件。

但它的刚度又小了，容易受到外界条件的干扰，所以在弓形弹性元件上A-A截面处开一个孔，应变片黏贴在孔边，利用孔边的应力集中和桥路连接，可以提高灵敏度，得到的输出应变与传感器上作用载荷关系为（1-2）式。

采用这种弓形弹性元件制成了0.1-500克的小载荷传感器。

2 弓形弹性元件部分设计2.1弓形弹性元件材料选择材料选用40CrNiMo合金结构钢，淬火850℃，油冷；回火600℃，水冷油冷，具有强度高、高淬透性、综合力学性能好等优点，11.50元/kg,性价比好。

材料的抗拉强度σb=980MPa，屈服强度σs=835MPa，伸长率δ5 (%)：≥12，断面收缩率ψ (%)：≥55，冲击功 A kv (J)：≥78，冲击韧性值αkv (J/cm²)：≥98(10)，弹性模量E=209GPa，泊松系数μ=0.3。

2.2 弓形弹性元件结构设计弓形弹性元件结构如图1.2所示，应力集中部位的小孔为直径3mm,表面粗糙度为R a1.6，看不见加工痕迹。

设传感器的测量灵敏度应达到1-3mv/V，设计时以此依据计算弹性元件的相关参数，再对弹性元件进行相关的强度校核，直至同时满足测量灵敏度和使用强度要求。

采用恒压源电桥电路，布片及电桥如图1.2所示，电桥输出表达式U O=(1+μ)KεU i，即：U O U I =(1+μ)Kε=(1~3)mV/Vhδ去应变片灵敏系数K=2，U O /U i=2mv/V,代入上式计算得最大应变值为：ε=2∗10−3(1+0.3)∗2=7.75∗10−4取[ε]max=8*10-4根据压缩时应变ε，力P和面积A之间的关系（1-2）式，设a=20mm,b=10mm,h=20mm, δ=0.2mm,将以上参数淡入，计算出弹性元件截面积：A=3Eεi∙hδ[11+1√(ab)+(hb)2]P=2.2∗10−6m2已知弹性元件壁厚δ=0.2mm，得出弹性元件长度B=11mm。

许用弯曲应力：[σ]=σsn=8352=417.5MPa （n为安全因数取2）最大工作弯曲应力：σmax=PA=0.5∗9.82.2∗10−6=2.22MPa≪[σ]完全符合要求；需用剪切应力：[τ]=[0.6~0.8][σ]=292.25MPa 最大工作剪切应力：τmax=F SA S=P∙sin45°Acos45°=0.5∗9.8∗sin45°2.2∗10−6cos45°=1.11MPa≪[τ]完全符合要求。

3 辅助部分设计3.1 底座和置物台材料选择弓形测力仪除了最重要的弓形弹性元件之外，还需辅助用的底座和放置被测量物的置物台，设计底座和置物台形状，材料等一致。

材料选用塑钢型材，主要化学成分是PVC，该材料性能优良、加工方便、用途广泛，价格便宜。

由于其物理性能如刚性、弹性、耐腐蚀，抗老化性能优异，通常用作是铜、锌、铝等有色金属的佳代用品。

3.2 底座和置物台结构设计底座设计如右图3.1，长100mm，宽100mm，厚20mm的塑钢型材，在中间部位为33mm处为平面，钻有直径Φ=5mm，长度为27mm的螺纹孔。

用规格为M5的六角螺丝，将底座和四个弓形弹性元件，置物台和四个弓形弹性元件，装配在一起，便组合成弓形测力仪，如图1.2（a）。

4 电阻应变片的设计4.1 电阻应变片的结构选择电阻应变片种类繁多，性格各异，其基本结构大体相同。

常见的应变片有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

在本课程设计中将采用金属箔式应变片，金属箔式应变片是使用最普通的电阻应变片，其敏图3.1 底座设计简图图4.1 常见的4中金属箔式应变片外形感栅用0.001~0.01mm厚度的合金箔利用照相制版或光刻腐蚀的方法制成，栅极最小课做成0.2mm。

如右图4.1所示为最常见的4中金属箔式应变片外形。

金属箔式应变片优点：（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀，且能制成任何形状以适应不同的测量要求。

（2）敏感栅薄而宽，粘接性能好，传递试件应变性能好。

（3）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。

（4）敏感栅弯头横向效应可以忽略。

（5）蠕变，机械滞后较小，抗疲劳寿命长。

4.2敏感栅的材料选择电阻应变片由敏感栅，基座，覆盖绝缘层，引出线组成。

对于制造敏感栅的材料，为了保证△R/R与ε有良好而宽广的线性关系，要求材料灵敏系数K，和电阻率ρ要尽可能大而稳定；为减小温度误差的影响，要求材料的电阻温度系数小，且电阻-温度见的线性关系和重复性好；此外，材料的机械强度，加工性能要好。

经过查阅资料和综合的考虑，采用康铜作为敏感栅的材料。

康铜含40%镍，1.5%锰的铜合金。

具有低的电阻率温度系数和中等电阻率。

可在较宽的温度范围内使用。

有良好的加工性能和焊接性能。

适宜在交流电路中使用，作精密电阻、滑动电阻、电阻应变计等，也可用于热电偶和热电偶补偿导线材料。

康铜的性能如下：化学成分/%：Cu55,Ni45 电阻率ρ/（*10-6Ω•m）: 0.45~.52电阻温度系数α/(*10-6/℃)：±20 灵敏系数K s：2.0线膨胀系数β/(*10-6/℃): 15 最高使用温度/℃： 250（静态）400（动态）4.3 基底和引线的材料选择应变片基底是电阻应变片制造和应用中的一个重要组成部分，承担着固定保持敏感栅的形状，传递被测应变的任务，因此对基底材料要求机械强度及挠性好，黏贴性能好，电绝缘，抗湿性好，无滞后和蠕变。

基底材料分为纸基和胶基（有机聚合物）两大类，本课程设计采用的是胶基，胶基是由环氧树脂，酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度为0.03~0.05mm。

而引线材料选用康铜，康铜丝敏感栅应变片的引线常采用直径为0.15~0.18mm的银铜丝。

4.4粘接剂的材料选择粘接剂是连接应变片和构件表面的重要物质，粘接剂和应变片的粘贴技术对于测量结果有直接影响，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，机械滞后误差小，；且有较宽的使用温度范围和良好的耐疲劳。

经过查阅资料和综合的考虑，本课程设计选用氰基丙烯酸酯胶粘剂。

氰基丙烯酸酯胶粘剂透明单组分低粘度胶，可在200-1000Pa·s 范围内变动。

温室下5-180S固化。

固化迅速，被称为“瞬干强力胶”。

使用方便，应用极其广泛。

无固化剂，无溶剂，固化收缩率低，毒性小，环境污染小。

被粘物表面不需要特殊处理固化后胶层透明无色，外观平整，特别适合工艺品、贵金属、精密仪器的胶接。

耐侯性耐寒性耐药品性能良好、抗拉强度高（与环氧相近）。

4.5 电阻应变片的阻值选择本课程设计中，是通过受力对弹性元件作用，引起电阻应变片阻值变化，改变输出电压变化进行测量的。

所以，为了测量灵敏度的提高，常采用较高的供桥电压，选用350Ω阻值的应变片，其具有通过电流小，自然引起的温升低，持续工作时间长等优点。

4.6电阻应变片的尺寸选择应变片是以其栅长范围内的平均应变来代替这一长度内中点的应变，误差取决于栅长的大小和应变沿构件表面的变化率。

设栅长L 内的应变分布用多项式来表示：ε=c 0+c 1x +c 2x 2+c 3x 3+⋯当εx 均值时：εx =∫εX dx L 0L=c 0 当εx 呈线性变化时：εx =∫εX dx L 0L =c 0+c 12L 当εx 呈二次变化时：εa =∫εX dx L 0L =c 0+c 12L +c 23L 2εM =c 0+c 12L +c 24L 2 误差为： δε=c 212L 2 可知对于三次或以上规律分布的应变，次数越高误差越大。

因此，对于应变变化剧烈的区域，如本次课程设计的弓形弹性元件，应力集中区域为小孔周边，所以选用小标距得应变片。

栅长选取为1.0mm ，栅宽4.8mm ，基底尺寸为4.0mm*6.4mm 。

（4-5） （4-1） （4-2） （4-3） （4-4）5 电路设计5.1 桥路的设计应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，为显示或记录应变的大小，还要把电阻的变化转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量，通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。

而电桥电路分很多种，经过查阅资料和综合的考虑，用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化和试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差：（1）敏感栅电阻随温度的变化引起的误差；（2）试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同，使应变丝产生附加拉长（或压缩）引起电阻变化。