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1、毕业设计说明书 基于电阻应变片的称重传感器设计 班 级： 学号： 姓 名： 学 院： 专 业： 指导教师： 2014 年 6 月 软件工程 黄志诚 王春花 软件学院 基于电阻应变片的称重传感器设计 摘 要 随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了 对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度 化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置。目前，称重传感器 几乎运用到了所有的称重领域。 本文设计了一个电阻应变式的称重传感器。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
2、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。本设计的称重传感器就是利用应变片阻值的 变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定 力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化可以通过后续的处 理电路求得。 关键词：称重传感器，弹性体，电阻应变片 Based on the design of resistance strain gauge load cell Abstract With the
3、 progress of technology, electronic weighing apparatus made by the weighing sensor is widely used in all walks of life, to realize the rapid and accurate for material weighing, especially with the emergence of microprocessor, the constant improvement of the industrial production process automation,
4、weighing sensor has become a necessary device in the process control. At present, apply to almost all weighing weighing sensors. In this paper, the design of a resistance strain type weighing sensor. Resistance strain type weighing sensor is based on the principle that elastomer (elastic element, se
5、nsitive beam) elastic deformation under the action of external force, the resistance strain gauge on the surface of the paste in his (cell) also along with the deformation and deformation resistance strain gauge, its value will change (increase/decrease), and then through the corresponding measureme
6、nt circuit convert the resistance to electrical signals (voltage or current), so as to complete the process of external force transform into electrical signals. The design of the weighing sensor is the change of resistance strain gauge is used to determine the small strain of elastic element, so as
7、to use force, stress and strain the relationship between the area to determine the size of the force, then the force of the mass of the body. The change of the resistance strain gauge can be obtained through the subsequent processing circuit. Keywords: Weighing sensors, elastomer, resistance strain
8、gauge 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 I 页 共 II 页 目 录 1 绪论.1 1.1 课题研究的背景.1 1.2 国内外发展动态.1 2 传感器的相关知识.3 2.1 传感器概念.3 2.2 传感器的工作原理.3 2.3 传感器的组成结构.5 3 电阻应变片的相关知识.7 3.1 电阻应变片的结构和工作原理.7 3.2 电阻应变效应.8 3.2.1 金属材料的电阻应变效应.8 3.2.2 电阻应变特性.8 3.2.3 应变片测试原理.9 3.3 电阻应变片的种类及材料10 3.3.1 电阻应变片的种类10 3.2.2 电阻应变片的材料12 3.4 金属应变片的主要特性13
9、4 电阻应变式力传感器的设计19 4.1 柱形应变式力传感器19 4.1.1 利用拉伸与压缩应力的称重传感器20 4.1.2 柱式称重传感器的误差来源22 4.2 梁式力传感器23 5 粘贴技术及稳定处理27 5.1 应变片粘贴技术27 5.1.1 粘结剂的选择27 5.1.2 应变计的粘贴27 5.2 弹性元件材料的稳定处理28 6 电阻应变式传感器的信号处理电路31 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 II 页 共 II 页 6.1 转换电路31 6.2 直流电桥31 6.3 电路图设计36 6.4 电路仿真36 参 考 文 献39 致 谢.40 中北大学 2014 届毕业设计说明书
10、 第 1 页 共 40 页 1 绪论绪论 11 课题研究的背景课题研究的背景 现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和处理技术，也就是传感技术、 通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官” 、 “神经” 、 “大 脑” 。如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高反 应速度的控制系统。可见传感器技术是一种和其他多种现代科学技术密切相关的 尖端技术。应变式力传感器用作静态、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。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。传感器是测量装置和控制系统 的首
11、要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信 号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说， 没有精确可靠的传感器 ，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。现代电子技术 和电子计算机为信息转换与处理提供了极其完善的手段，使检测与控制技术发展 到崭新阶段。但是如果没有各种精确可靠的传感器去检测各种原始数据并提供真 实的信息，那么，电子计算机也无法发挥其应有的作用。 12 国内外发展动态国内外发展动态 当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息 社会的重要技术基础。随着科学技术的发展，传感器产品应用范围的不断扩大，在 现代科学技术
12、、国民经济、人民生活中都占有重要地位，为此世界各国都给予了 高度重视。我国的 863 计划和科技攻关计划也把传感器的研究与开发放在重要地 位。据有关资料介绍，在世界范围内传感器的计量逐年上升，世界市场传感器销 售额 1985 年为 50 亿美元，1990 年增加到 155 亿美元，如今已突破 200 亿美元， 年平均增长率为 8%，品种已超过二万种。其中，工业自动控制、交通运输、冶金 行业市场的份额占 35%以上。 电阻应变片式传感器是现代传感器技术的重要组成部分，它利用当电阻应变 计安装在弹性体上时，在外载荷作用下，弹性体的变形与其引起电阻应变计的电 阻变化之间呈线性关系的原理，制成测量各种
13、物理量的传感器，这种传感器，习 惯称为电阻应变式传感器或是应变计式传感器(Stain gage transducer)1。 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 2 页 共 40 页 传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。但是它们的共性 是利用物理定律和物质的物理特性，将非电量转换成电量。所以如何采用新技术、 新工艺、新材料以及探索新理论，以达到高质量的转换效能，是总的发展途径。 由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对测控系统的 精度提出更高的要求。近年来，微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到 应用，而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术，根据这些时
14、代特点，传感 器将向以下几个方面发展：为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能提高， 例如对于火箭发动机燃烧室的压力测量，希望测量精度的功能优于 0.1%，对超精 度加工“在线”检测精度高于 0.1mm，因此需要研制出高精度的传感器，以满足 测量的需求。目前我国以研制出精度优于 0.05%传感器。 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 3 页 共 40 页 2 传感器的相关知识传感器的相关知识 21 传感器概念传感器概念 我们国家标准（GB665-87）是这样定义传感器（transducer/sensor）的：“能 够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可以输出信号的器件或装置” 。我们
15、的 理解是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、 便于应用的某种物理量的测量装置。 这一定义包含了以下几方面的意思： （1）传感器是测量装置，能完成检测任务； （2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； （3）他的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等， 这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量； （4）输入输出有对应关系，且应有一定的精确程度。 我们可以对传感器作字面上的解释：传感器的功能是一感二传，即感受被测 信息并传送出去2。 22 传感器的传感器的工作原理工作原理 电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构
16、成。弹性敏感元件在感受 被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变 片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。 这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量量的大小了。 弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计 或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变 片传感器的核心元件。那么现在举几个简单的例子来说明传感器的原理，如图 2.1、2.2 所示。 中北大学 2014 届毕业设计说明书 第 4 页 共 40 页 图 2.1 柱式力传感器原理图 图 2.2 梁式力传感器原理图 上面两个例子简单说明了传感器的工作原理，其中图 2.1 是柱式力传感器原 理图。当圆柱里的应变片受力变形时，、会随力增加而缩短，同时，外面 1 R 2 R 的电阻会受应力而拉伸。在弹性范围内，应力与应变成正比关系： 3 R （
