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1、昆明理工大学自动检测技术及仪表课程设计题目：电阻应变式称重传感器的设计学院：专业：年级：姓名：学号：目录摘要一、称重传感器21、简介22、种类3二、电阻应变式称重传感器及其设计31、电阻应变式称重传感器简介及工作原理32、传感器的设计概述53、设计传感器的工作原理64、传感器弹性元件结构75、传感器测量电路86、传感器的特性97、称重传感器常用技术参数118、传感器设计相关参数选择139、应用技术及应用领域16三、总结17四、参考资料17摘要称重传感器是电子衡器的核心部件，随着称重传感器技术不断发 展和应用领域不断扩大，传感器越来越为人们所关注。本文通过对传 感器工作原理、分类及应用等的分析，
2、介绍了一种基于双孔梁称重的 电阻应变式传感器。它可称量被试木材在某一时刻的重量，以计算该 试材在该时刻的含水率。该方法的准确度和稳定性不受木材材性影 响，且与木材含水率不均性无关。一、称重传感器1、 简介称重传感器是知识密集、技术密集和技巧密集型的高技术产品。 研制和生产所涉及的内容多、离散大，技术密集程度高，边缘学科色 彩浓，是多种学科相互交叉、相互渗透的结晶。称重传感器是一种将 质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器先要考虑传感 器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关 系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的 可靠性和安全性。在称重传感器
3、主要技术指标的基本概念和评价方法 上，新旧国标有质的差异。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，从以前不能称重的大型罐、料斗等重 量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料 系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重 传感器。目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。2、 种类称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电 容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等 8 类，
4、以 电阻应变式使用最广。二、电阻应变式称重传感器及其设计1、 电阻应变式称重传感器简介及工作原理电阻应变传感器由电阻应变片和测量线路两部分组成，其中电阻 应变片感应被测量压力(包括扭矩、荷重、拉力)，并在外力作用下 产生弹性形变导致电阻值发生改变，它是将力转换成电阻变化的检测 元件；测量线路将变化的电阻转换为电信号，实现被测压力的最终指 示和信号远传。由于应变测量方法灵敏度高，测量范围广，频率响应 快，既可用于静态测量，又可用于动态测量，尺寸小、重量轻，能在 各种恶劣环境下可靠工作，所以被广泛地应用于各种力的测量仪器和 科学实验中。电阻应变式传感器(straingauge type trans
5、ducer ) 以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性 敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求 设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并 使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻 值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多 种物理量。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外 力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电 阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔 式、薄膜式之分。工作原理如下：电阻应变式称重传感器通常将金属弹性体作为 力转换为应变的元件。弹性体（
6、弹性元件）在外力作用下产生弹性变 形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形 后，它的阻值将发生变化（增大或减小），经相应的测量电路把这一电 阻变化转换为电压信号，从而通过力、应变、电阻变化、电压信号变 化这四个环节，完成将外力转变为电信号的过程。由此可见，弹性体、 电阻应变片和测量电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个 主要部分。下面就这三方面简要论述。（1）电阻应变片是将一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成 的基底上，即成为一片应变片。其重要参数是灵敏系数K, K的大小是 由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、 尺寸及大小无关。当电阻丝受力变形
7、后，电阻率也会有所改变，电阻 应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）AR_r AL之间的关系如下所示：（式一）上述关系式又常写作：罟二Ke （竿）（2）弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先， 它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平 衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区）使粘贴在此区的电阻应 变片比较理想的完成应变及电阻变化任务。（3）测量电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转换为电压变化 输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，可比较方便的解决称重传感器 的温度、蠕变和零点偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到 了广泛的应用。而惠
8、斯登全桥式等臂电桥的灵敏度高，且各臂参数一 致，各种干扰的影响易于控制，因此应变式称重传感器的应变片一般 均采用惠斯登全桥式等臂电桥联结方法，如下图所示。桥压+E+佶号-(-)惠斯登电桥图图中，输入阻抗是正负拱桥端子（E+、E）之间的电阻，输出电 阻是正负信号端子（S+、S）之间的电阻，其中正负拱桥端子（E+、E 一）之间的电压Ui和正负信号端子（S+、S一）之间的电压U。的关系如 下所示：Uz等U；（式二）当传感器没有受力时，桥路平衡，信号输出为零，当传感器受到 压力时，由于应变片发生变形，桥路阻值发生变化，桥路失去平衡， 信号端就有微弱电压信号输出。2、 传感器的设计概述设计一种基于双孔梁
9、称重的电阻应变式传感器。它可称量被试木材在某一时刻的重量，以计算该试材在该时刻的含水率。该方法的准确度和稳定性不受木材材性影响，且与木材含水率不均性无关。称重方法是测量木材含水率的直接方法，而称重传感器是采用此 法的关键仪器，利用称重法获得木材检验板在某一时刻的重量后，就 可根据木材含水率的定义式，计算木材在该时刻的含水率。称重法和其它方法相比具有明显的优越性：首先，称重法是测量 木材含水率的直接方法，测量的准确度和稳定性与木材本身的性质无 关，消除了木材含水率不均匀对测量结果的影响，测量的准确度和稳 定性能得到保证。其次，称重法是测量木材含水率的定义方法，测量 范围由称重传感器的称重量程决定
10、，只要称重量程选择合适，木材含 水率的测量范围就没有限制。电阻应变式称重传感器是把电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上， 然后以适当方式组成电桥而将力（重量）转换成电信号的转换元件。电阻应变式称重传感器主要曲两部分组成。一部分是弹性敏感元 件，利用它把被测的重量转换为弹性体的应变值；另一部分是电阻应 变片，它作为变换元件将弹性体的应变同步转换为电阻值的变化。当 弹性体受重量作用时，应变电阻的变化会引起电桥的不平衡，从而输 出电压信号，该信号与所加载的重量成正比，即弹性体在弹性范围内 的相对变化与引起变形的重量成正比。3、设计传感器的工作原理电阻应变片的工作原理基于它的应变效应，即在导体产生机械变 形
11、时，它的电阻值相应发生变化。金属导体的应变效应用应变灵敏系数K来描述:式一）式中：U泊松比C 取决于金属导体品格结构的比例系对于金属材料，电阻的相对变化主要由前两项决定，即以导体的尺寸效应为主，压阻效应为辅；而对于半导体材料，电阻的相对变化主要由第三项决 定，即以压阻效应为主，尺寸效应为辅。4、传感器弹性元件结构电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉 压式（柱式、筒式和环式）、弯曲式（梁式）和剪切式三大类。为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度，将 梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，双孔梁就是其中有 代表性的一种。双孔梁的结构如图所示在板状梁上有两个孔，
12、在梁的端部有集中力作用时，孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的内壁，应变片处于相反的应力区内，当R1和R4的变形为拉伸时，R2和R3为压缩变形，四个应变片组成差动电 桥，输出特性的线性度好。另外，这种粱的刚度比单梁好，故动特性 好，滞后小。根据应力分布图可以看出，受力点位置变化时，一孔的 弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传 感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。在称重和测力领域，经常采用拉压式和弯曲式应变传感器，该电 路在精度和稳定性上已达到一定的水平，但由于拉压式称重测力传感 器的高度直接影响精度和横向稳定性，而且力点移动对输出信号有影 响，拉压对称性差，尤其
13、是当安装条件和标准条件不一致时，引起的 误差更难估计。而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区，高度小，对加 载方式和受力点移动不敏感，且抗偏心、抗侧向力，所以我们选用的 称重传感器内部采用双孔梁作为弹性元件。而近年来发展起来的梁式 剪切称重测力传感器虽然消除了受力点变化对输出的影响，性能优 良，但弹性体结构复杂，贴片也较困难，故本设计没有采用。5、传感器测量电路目前应变片的测量电桥多为直流供电。下图为直流供电的测量电桥原理图其中第一臂为电阻应变片，由应变引起的电阻变化为ARt,当R1二R2、R3=R4时,电桥的电压灵敏度Su为最大，此时有:（式二）当应变很小时，二丄U（式三）Uo-V （式四）由（式
14、二）可知，电桥的输出电压5 - f紅是非线性的，（式三）是在假定应变片承受的应变很小时得到的结论，此时5 f低是线性 的，实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称之为非线 性误差。采用差动电桥可以消除非线性误差。故本设计电阻应变式称 重传感器选用直流供电应变全桥，该电桥的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了4倍，且具有温度补偿作用。6、传感器的特性1. 灵敏度。金属丝的灵敏度系数（Ko）是表示金属丝受力后，电阻的相对变化与轴向长度的相对变化之间的关系。当金属丝制成应变 片后，应变片的灵敏系数K就是一个新的量值了，而且恒小于Ko。这 是由于胶基对力传递变形失真外，主要还有横向效应
15、，而且K还是温 度的函数，所以对K的要求是稳定性。2. 线性度。弹性体上的应变敏感元件，其电阻的相对变化此卫理 论上呈线性关系。实际上，当施加到弹性体上的力超过一定范围时， 就会出现非线性关系。3，横向效应。粘贴在弹性体上的应变片，其敏感栅有许多条直 线及圆角部分组成。当受到纵向应力之后，直线段的电阻将增加，圆 角部分的电阻将减小，其综合效应是使应变片的灵敏度下降，这种现 象称为应变片的横向效应。在工程上采用箔式应变片可减小横向效 应。4. 机械滞后和热滞后。当对贴有应变片的弹性体循环加载和卸 载时，应变片的心卫与r让之间的特性曲线的不重合程度称为机械滞 后。把加载和卸载特性曲线的最大差异值称为应变片的机械滞后值。 它的物理意义是，保持外界条件不变，对弹性体循环加载、卸载过程 中，对同一载荷，应变片输出的差值即为机械机械滞后值。当弹性体 受到恒定外力时 环境温度改变时应变片的电阻值也要变化。在循环 改变温度时，应变片在同一温度下电阻的差值称为应变片的热滞后 值。5. 零漂和蠕动。在恒温条件下，贴有应变片的弹性体不承受任 何载荷，应变片的阻值随时间变化的情况称为应变片的零漂。在恒温 条件下，加到贴有应变片的弹性体上的载荷力恒定，应变
