传感器课程设计

一、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，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重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。

本文从数显电子称的要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。电阻应变式传感器工作原理是基于电阻应变效应原理。用金属电阻丝制作成电阻应变片，将其粘贴在弹性体上。测量时，当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，将电信号通过数码显示器显示出来，从而完成了将外力变换为电信号的过程。

二、设计方案的确定：

本设计方案应用弹性元件作敏感元件，为了使力（重力）的作用点不受限制，本方案选用等强度梁作为弹性敏感元件；为了使输出信号大，选用半导体应变片作转换（传感）元件，并选用电桥作测量电路；传感器输出信号经放大后，进行V F变换，以频率信号形式输出到单片机，经单片机运算处理，显示重量值。信号进行V F变换可以增加信号传输距离，并具有抗干扰能力。同时省掉了A D环节，提高了系统精度，简化了与单片机的接口。方案组成框图如图1所示。

三、电阻应变式测力传感器部分的设计：

（1）等强度梁结构设计：

等强度梁的结构如图2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F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L方向上黏贴应变片位置要求不严。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，梁厚为h。

根据悬臂梁特性，当重力作用在自由端时，最大弯曲应力为

σ=6L

b0h2

∙W（1）

则应变为

ε=σ

E =6L

b0h2E

∙W（2）

式中W——被称物体重力；

h——梁厚度；

b0——固定端宽度；

L——梁长；

E——弹性模量。

根据式（1）和强度理论，可写出强度条件：

σ=6L

b0h

∙W≤σ（3）

式中σ——梁材料的许用应力，可从材料手册查得。

由许用应力、称重范围及允许梁占用的空间几何尺寸，加以经验值，来选择制造梁的材料，确定梁长、厚度等结构参数。

（2）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，设计的测力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R1、R4和R2、R3（R2、R3在底部）四个电阻应变计。若R1、R4承受拉力，则R2、R3将受到压力，两者应变相等，但极性相反，如图3所示。

设R1=R2=R3=R4=R，∆R1=∆R4=∆R，∆R2=∆R3=−∆R，则差动全桥输出电压公式为

U0=U s∙∆R R

因此，电桥输出电压U0与∆R

（应变片电阻变化）成严格线性关系，消除了电

R

桥非线性的影响，也消除了温度误差的影响。输出电压比单臂电桥增大四倍，灵敏度也提高4倍。

（3）温度误差及其补偿

1、温度误差：

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：

电阻应变片的温度补偿方法通常有电桥补偿和应变片自补偿两大类。

a.电桥补偿法，也称补偿片法。电桥补偿法的优点是简单、方便，在常温下补偿效果较好，其缺点是温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。

b.应变片的自补偿法。粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。

c.热敏电阻补偿法。热敏电阻处在于应变片相同的温度条件下，当电桥的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿应变片温度变化引起的输出下降。

（4）半导体应变片参数选择：

半导体应变片常采用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，其使用方法与金属应变片相同。其电阻变化与应变之间的公式如下：

∆R

R

=πl Eε式中πl——纵向压阻系数；

E——弹性模量；

ε——应变。

设应变片灵敏系数K0=πl E，则

∆R

R

=K0ε因此，电桥的输出电压为

U0=U s∙∆R

R

=U s K0ε

按照该设计要求，因此选择铂式应变片。因为铂式应变计具有以下的优点：

○1易批量生产，电阻均匀，离散性小，可根据需要制成任意形状；

○2可制成长度很小的应变计，L可为0.2mm；

○3表面积大，散热性好；

○4厚度比丝式薄，所以挠性好，扁平形状的栅有利于变形的传递；

○5蠕变小，疲劳寿命高；

○6应用普遍。

因此，根据后续电路对输入信号幅值的要求，选择型号为BE350—3AA80X。其中：B——铂式；E——酚醛，缩醛；350——电阻值为350Ω；3——表示敏感栅长度为3mm；AA——表示敏感栅结构形式为单轴片；80——表示极限工作温度为80℃；X——表示接线方式为标准引线焊接方式。

（5）电阻应变片的粘贴以及接线方式：

将四只半导体应变片用黏结剂贴在弹性元件等强度梁上（如下图所示），并