传感器技术课程设计报告(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

一、设计目的

1、掌握传感器选择的一般设计方法；

2、了解有关传感器的基础知识；

3、加深对电子电路知识方面知识的理解；

4、能够熟悉传感器的检测以及应用电路；

5、培养综合应用所学知识来指导实践的能力；

二、设计任务与要求

2.1设计任务

1、总体结构设计

2、精度设计

3、传感器设计

4、设计转换电路和调理电路；进行仿真实验。绘制原理图和PCB图

2.2设计要求

1、应用应变片实现的测量；

2、该应变式传感器具有温度补偿作用；

3、给出所选应变片的型号及弹性敏感元件的类型；

4、掌握测试结果数据处理方法、误差分析方法以及精度评定方法。采用异步教学方法

组织实践教学，培养学生自主学习能力、动手能力与创新能力。

三、设计步骤及原理分析

3.1设计方法

3.1.1总体设计方案

图1 基于电阻应变式测力传感器的电子称系统框图

3.1.2等强度梁的结构设计

等强度梁的结构设计如下图所示，是一种特殊形式的悬臂梁。其特点是：沿梁长度方向的截面按一定规律变化，当集中力作用在梁三角形顶点上时，距作用点任何距离截面上的应力相等，故在对方向上黏贴应变片位置要求不严。

图2 等强度梁

3.2设计步骤

3.2.1测量电桥设计

为了消除非线性误差和温度误差对测量结果的影响，设计的测量电阻应变式传感器采用四臂差动式电桥测量电路。距固定端较近的表面顺着梁的长度方向分别贴上、下四个电阻应变计。若承受拉力，则将受到压力，两者应变相等，但极性相反，如下图所示。

图3 差动电桥

3.2.2温度误差及其补偿

（1）温度补偿：由于测量现场环境温度改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生温度误差的主要因素有以下两点。a.电阻温度系数的影响。b.试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。

（2）温度补偿方法：

a.电桥补偿法，也称补偿片发。

b.应变片的自补偿法。

c.热敏电阻补偿法。

图4 热敏电阻补偿

3.3设计原理分析

3.3.1应变式测力传感器

应变式测力传感器是由弹性体、应变片、胶粘剂、防护涂层、补偿线路等部分组成的，其应变传递路径是：弹性体→胶粘剂→应变片敏感栅→覆盖层→防护涂层，构成一个有别于应变片本身的更复杂的系统。若把粘贴于弹性体上的应变片暂称为应变片装置

（strain gage installation），其典型结构如图所示。

图5 典型的应变片装置的剖面图

应变式测力传感器的原理分析以CYL型应变式测力传感器为例。

CYL型应变式测力传感器是利用电阻应变原理构成，粘贴在传感器弹性体上的高档箔式应变片组成全桥电路。当受到载荷作用时，弹性体产生变形，应变片也相应感受应变，从而使电桥失去平衡，并输出与作用力大小成正比的电信号。

为了减少温度对传感器性能的影响，在电桥线路中增加了温度零漂补偿电阻T，温度灵敏度补偿电阻E和平衡电阻D，下图为CYL型应变式测力传感器电路系统原理图:

图6 CYL型应变式测力传感器电路系统原理图

3.3.2原理分析

应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片等组成的测力仪叫做应变式测力仪。其工作原理是把电阻应变片贴在弹性元件表面，当弹性元件受到力的作用产生变形时，电阻应变片随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化，可用下式表示，即：

式中，K0为材料的应变系数；ε为应变片的应变值。

由上式可知，当K0为定值时，只要测得电阻应变片的的电阻变化△R/R，即可得知试件表面应变的大小，然后根据σ=Eε求得应变力的大小。在应变式测力仪中，经常是将四个应变片成对的横向或纵向粘贴在弹性元件上，这样应变片就可以感受到弹性元件上的压缩和拉伸变形，将四个应变片接成某种形式的电桥电路，这样就可以从电桥的输出中得到应变量的大小，从而根据应变量ε与外力的关系得出作用在弹性元件上的作用力大小。

3.3.3应变式测力仪的测量原理

敏感元件感受被测量的变化，在由于转换元件转换成易于测量的信号，由输出电路输出。

图7 测力仪测量原理图