应变式容器内液体重量传感器的设计

摘要
应变式容器内液体重量传感器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。

随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。

本文介绍利用应变片传感器电阻应变片将应变转换为电阻变化的原理和其测量灵敏度较高的特点设计一个应变式容器内液体重量传感器，感压膜感受上面液体的压力。

当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。

电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内液体重量。

关键词：应变片传感器；灵敏度；电桥；线性关系
目录
一、设计要求 (1)
1、电阻应变片概况 (1)
2、设计目的 (1)
二、设计方案及其特点 (1)
三、传感器工作原理 (3)
四、应变式容器内液体重量传感器结构图和电路图 (4)
五、电路工作原理分析和器件选择 (5)
1、工作原理分析 (5)
2、器件选择清单 (6)
六、总结 (6)
参考文献 (7)
应变式容器内液体重量传感器的设计
一、设计要求
1、电阻应变片概况
应变式物体在外部压力货拉伸作用下发生形变的现象。

当外力去除后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形态的应变称为弹性应变。

应变片传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。

传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成，应变传感器工作时引起是电阻值的变化甚小，但其测量灵敏度较高。

它在力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量中得到了广泛的应用。

2、设计目的
利用电阻应变片制成测量重量的传感器，用于测量容器内的液体重量。

二、设计方案及其特点
针对目前电阻应变片的测量电路中直流电桥的平衡条件，电压灵敏度和非线性误差及其补偿方法的特性。

对应变式容器内液体重量传感器的设计可以分为下面两种不同的设计方案：
1、方案一
直接利用直流电桥的基本形式如图1所示。

R1，R2，R3，R4为桥臂，R L为负载。

图1 直流电桥
在实际测量中，使第一桥臂R 1由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化。

当受应变时，若应变片电阻变化为∆R 1，其他桥臂固定不变，则电桥输出电压U 0≠0。

由公式可得:
电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。

2、方案二
采用差动电桥，根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个银边片接入电桥的相邻臂上，如图2所示。

图2 差动电桥
该电桥输出电压为：
若432121,,R R R R R R ==∆=∆,则得：
通过方案比较，由于方案二的差动电桥无非线性误差。

而且电压灵敏度为S V =（1/2）E ，比使用方案一提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用，故选用方案二。

E
R R R R R R R U )
)((432114
10++∆+
∆=
E
R R R R R R R R R U )(
4
33
2211110+-∆-+∆+∆+=1
1021R R E U ∆=
)
1()
2()
3(
三、传感器工作原理
本设计采用的是应变式电阻传感器，电阻式应变片是一种能将试件上的应变变化转换为电阻变化的传感元件。

以金属丝电阻应变片为例介绍其工作原理。

用一根具有高电阻系数的金属丝如康铜或镍铬合金等，直径d=0.025mm,绕成栅形，枯贴在绝缘的基片和授盖层之间，由引出导线接于电路上。

当金属丝电阻应变片在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，此现象称之为电阻应变效应。

在测量时，将应变片用猫结剂牢固地粘结在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，此电阻变化是与试件应变成比例的，这样就可以反映出外界作用力的大小。

敏感栅是应变片的核心部分，它枯贴在绝缘的基片上，其上再枯贴起保护作用的覆盖层.两端焊接引出导线。

金属电限应变片的敏感栅有丝式、梢式和薄膜式三种。

箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属梢栅.其厚度一般在0.003-0.01mm。

其优点是散热条件好，允许通过的电流大，可制成各种所需的形状，便于批最生产。

薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘片上形成0.1pm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。

它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范朋广。

半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是4于半导体材料的压阻效应。

所谓压阻效应是指半导体材料在某一轴受外力作用时，其电限率发生变化的现象.半导体应变片突出的优点是灵敏度高.比金属丝式高50-80倍，尺寸小，但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。

目前，一般多采用箔式应变片。

以金属电阻丝为例来讨论应变片的应变效应，如图3所示：
图3 金属电阻丝应变效应
导体的电阻值可以用下式计算:
当此电阻丝两端受拉以后，其尺寸将发生变化，长度伸长而横截面将减小，一般P 值也发生变化，对公式(4)进行微分得：
其相对变化量为：
四、应变式容器内液体重量传感器结构图和电路图
图4 结构图
s
l R ρ
=ρρρ
d s l ds s
l
dl s
dR +-
=
2
ρ
ρ
d s ds l dl R dR +
-=)
4()
5()
6(
图5 接线原理图
五、电路工作原理分析和器件选择
1、工作原理分析
图2为两个传感器半桥差动电桥接成的正向串接的双电桥差动电路。

图1应变片容量内液体重量传感器：
感压膜感受上面液体的压力。

当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。

将其上两个传感器Rt 的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为：
式中，K 1,K 2为传感器的传输参数
p 为液体密度
h 为位于感压膜上方的液体高度 pgh 表征了感压膜上方液体的重量
Q 表示感压膜上方液体的重量 A
表示柱形容器的截面积
hpg
K K U U U )(21210+=+=A
Q pgh /=A
Q K K U /)(210+=)
7()
8(
结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。

2、器件选择清单
表1 元器件清单
编号元器件类型元器件规格数量
R0 电阻120Ω2
RL 电阻2000Ω2
R1 电阻1000Ω2
R2 电阻1000Ω2
R3电阻1000Ω2
R4电阻1000Ω2
R电阻100Ω3
Rf电阻1000Ω1
运放OP07放大倍数为101
六、总结
本课程设计是利用两个传感器半桥差动电桥接成的正向串接的双电桥差动电路设计出一个应变式容器内液体重量传感器。

充分利用了应变式传感器分辨力高、误差较小、测量范围大等特点并采用了差动电桥电路使其无非线性误差，提高灵敏度，同时可以起到温度补偿的作用。

由此可测出比较精确的容器内液体重量。

通过这一星期对应变式容器内液体重量传感器的研究设计，了解了电阻式应变传感器元件的特性，通过自己来设计实验，激发了学习兴趣。

亲自动手操作，观察实验现象，增加了理论学习的趣味性，能亲身感受到传感器的作用。

另外使我对传感器的基本概况有了充分的理解与掌握。

我还查阅了参考资料，加深了对电阻式传感器的原理的理解以及在实际生活中的广泛应用。

因此，通过这次实验的设计，对今后在传感器这一领域有更深的认识。

同时也锻炼了动手能力，独立思考解决问题的方法，使我从本质上对传感器有了全新的认识，有利于以后的学习研究。

参考文献
[1]黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用[M].北京:电子科技大学出版社,2004.
[2] 杨洋.图解趣味电子制作—电子电路设计与制作[M].北京:科学出版
社,2005,8.
[3] 李刚，林凌.现代测控电路[M].北京:高等教育出版社，2004,1.
[4]贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术[M].江苏:东南大学出版社，2007,2.
[5]刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术[M].北京:人民邮电出版社，2006.
[6] 张洪润.传感器应用设计300例[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.。