电阻应变式拉力传感器及转换电路设计.docx

电阻应变式拉力传感器及转换电路设计.docx

《电阻应变式拉力传感器及转换电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电阻应变式拉力传感器及转换电路设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电阻应变式拉力传感器及转换电路设计

一、摘要1

二、设计目的意义1

三、应变式荷重传感器的原理2

四、传感器形状设计3

4.1轮辐式传感器3

4.2梁式传感器4

4.3坏式传感器5

4.4柱式传感器5

五、弹性元件设计8

5.1弹性元件的材料要求8

5.2弹性元件的选择8

5.2.1常见的弹性元件8

5.2.2硬化不锈钢材料介绍8

5.3弹性元件的分析和计算9

5.3.1弹性元件的参数计算9

5.3.2截面积的计算10

5.3.3柱高H及其他尺寸的确定11

六、电阻应变片设计12

6.1电阻应变片类型的选择12

6.2应变片的材料13

6.2.1应变片敏感栅的材料13

6.3应变片主要参数的确定14

6.3.1几何尺寸14

6.3.2金属箔式应变片15

七、转换电路原理及设计16

7.1电桥电路设计16

7.1.1电桥电路原理16

7.1.2非线性误差17

7.2转换电路和信号放犬电路17

7.3各部件之间的输入输出关系18

八、总结20

九、参考文献21

十、附录21

摘要

传感器是感受规定的被测屋并按照一定的规律转换成町用信号（通常为电信号）的器件或装置，传感器是发展仪器仪表、自动控制和广泛应用计算机的前提条件。

本次设计了一个应变式荷重传感器。

应变式荷重传感器是基于这样一个原理：

弹性体（弹性元件）在外力作用卞产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，应变片变形后，它的阻值将发生变化，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。

应变式荷重传感器是目前应用最广泛地传感器之一，已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩、以及位移、加速度等参量的测量。

二、设计目的意义

应变式荷重传感器用于静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动测屋等领域已人屋应用。

它是电子衡器的核心部件。

它的质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。

在实际使用中，由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部坏境的影响，很容易发生故障，影响电子衡器计量数据的准确及稳定的运行。

因此，了解应变式荷重传感器的基本原理及故障原因，熟练掌握故障的分析判断技术，是快速准确地处理电子衡器的故障，保证其准确、稳定运行的关键。

三、应变式荷重传感器的原理

应变式传感器也称应变片。

电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应，将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。

现已广泛应用于工程测量和科学实验中。

当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻的电阻应变效应。

“L

«1

吒壬三三w三三

图1.9金属电阻应变效应

设有一根长度为L的，截面积为S,电阻率为P的金属丝，在未受力时，原始电阻为：

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长横截面积相应减小AS,

电阻值△R的变化引起电阻的相对变化为：

LRM亞S

=———+

RISp

由材料力学知：

里.=£过L=兀0=鹿£

LP

其中：

7t-一沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关；

E一一弹性模量；CT一-材料所受应力。

忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下：

——=$+2〃g+=（1+2〃+t£）£=kQe=kQ——

RL

可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。

应变式传感器类型有：

金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄脸应变片三种。

特点：

①可测微应变1-2Um,且精度高、性能稳定；

2尺寸小、重量轻、结构简单，响应快；

3测量范围人；④环境要求不高；⑤便于多点测量。

电阻应变片组成图

此次荷重传感器课程设计选用应变式传感器。

设计中只要把应半片贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变人小即可求出对应的负载人小。

应变式测力传感器一般由弹性体，应变计和外壳组成。

弹性体是测力传感器的基础，应变计是传感器的核心。

根据弹性体的结构形式的不同可分为：

轮辐式，梁式，环式，柱式等。

在测量拉/压力上主要用到以上四种。

4.1轮辐式传感器

外加载荷作用在轮的顶部和轮圈底部，轮辐上受到纯剪切力。

每条轮辐上的剪切力和外加力F成正比。

当外加力作用点发生偏移时，一面的剪切力减小，一面增加，其绝对值之和仍然是不变的常数。

可以消除载荷偏心和侧向力对输出的影响。

这是一种较新型的传感器，其优点是精度高、滞后小、重复性及线性度好。

轮辐式传感器

4.2梁式传感器

梁式力传感器有多种形式，有等截面梁，等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力,结构简单，灵敏度较高。

等截面梁其特点为结构简单，易加工，灵敏度高。

适合于测5000N以下的载荷，也可以测量小的压力。

等强度梁力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等，故对粘贴应变片位置要求不严。

另外梁的形式还有平行双孔梁、工字梁、S型拉力梁等。

平行梁式传感器实物图

4.3环式传感器

环式常用于测几十千克以上的人载荷，它的特点是应力分布变化人，且有正有负,

便于接成差动电桥。

环式弹性元件包扌舌典型的圆环式、扁环式、柱坏式等。

（c）（d）

环式力传感器

其中（a）为圆坏式，（b）为扁环式，（c）为柱坏式，（d）为电桥电路

4.4柱式传感器

柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种。

应变片粘贴在弹性体外壁应力均匀的中间部分，并均匀对称地粘贴多片。

因为弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性有影响。

所以对实心圆柱，一般取HM2D+L,而空心圆柱一般取H$D-d+L,式中H为圆柱体高度，D为圆柱外径，d为空心圆柱内径，L为应变片基长。

根据材料力学和惠斯顿电桥原理（均为全桥工作方式）。

柱（筒）式弹性元件的参数可用下式计算：

S=（l+“）KJe

2AE

式中S—一传感器的灵敏度（mV/V）,静态使用时可取1〜1.5mV/V那；如进行灵敏度补尝及线性补偿等，上列值应再乘以1・2〜1・25倍；U——料的泊松比：

F——传感器的额定负荷：

K一一应变计的灵敏系数；E—一材料的弹性模量：

A一一弹性元件贴片部位的截面积:

圆筒式：

A=

圆柱式：

A=兀/4°2

选择D与d时，要考虑到构件的稳定性及加工条件，圆筒式的壁不能太薄。

两端的刚度要足够。

当安装、紧固传感器时，不应使中段产生腰鼓变形。

过渡部分的圆弧半径不可太小，以避免造成应力集中而影响疲劳寿命。

为使贴片部位应力分布均匀，长度L不可太短，圆柱式一般取L=（2〜2.5）D,圆筒式可适当短一些。

弹性元件中段的应力为：

o=F/A

材料选定后，应检查是否满足o^[o]o[0]为许用应力，一般取：

O=（1/3〜1/4）0s（N/mm2）

式中，Os材料的屈服点（N/mm2）

柱式力传感器的结构简单，可以测量人的拉压力，最大可达10卞。

在测1000

〜500000N时，为了提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱式结构。

□吕□刍□刍口刍

R3R4

圆柱面展开及电桥

a）圆柱面展开图b）电桥连接示意图

柱式传感器外形尺寸

柱式传感器实物图

综上所述，总结出四种弹性体的比较表如表4.1所示:

类型

负载能力

精度

线性度

工艺性

体积

轮辐式

k

高

好

较复杂

较小

梁式

小

高

较好

简单

小

环式

较人

高

好

较复杂

小

柱式

k

较高

较好

简单

大

表4.1四种弹性元件的比较

结论：

对以上各种形式的传感器进行比较，由于柱式传感器具有负载能力人，精度较高，加工工艺简单，线性度较好等特点，并根据题目的参数要求，测力范围：

1X10$〜5X1C/N,称量精度：

±1%和器件的应用性，加工性，本设计选用柱式传感器作为测量元件。

五、弹性元件设计

弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。

在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。

所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件。

5.1弹性元件的材料要求

在设计传感器以前，首先应选择好弹性元件材料。

对弹性元件材料提出以下要求：

（1）强度高，弹性极限高；

（2）具有高的冲击韧性和疲劳极限；

（3）弹性模量温度系数小而稳定；

（4）热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性；

（5）热膨胀系数小：

（6）具有良好的机械加工和热处理性能；

（7）具有高的抗氧化、抗腐蚀性能；

（8）弹性滞后应尽量小。

5.2弹性元件的选择

5.2.1常见的弹性元件

（1）等截面梁

（2）等强度梁（3）两端固定梁（4）环式弹性元件（5）平膜片

（6）垂链式膜片（7）波纹膜片和膜盒（8）圆柱式弹性元件（9）波纹管

5.2.2硬化不锈钢材料介绍

不锈钢称重传感器的弹性元件，多使用马氏体弥散硕化不锈钢。

例如美国的17—4PH,15-5PH,AIS1630,英国的630,631和日本的SUS630等。

这两种不锈钢具有良好的焊接性能,

无磁性汉材R多介质有很强的抗腐蚀能力，抗微塑变形能力强，并具有较高的耐应力松弛性能。

又由于这类不锈钢有非常好的塑性，便于加工，可用来制造形状复杂的弹性元件，所以被广泛应用。

17TPH和15-5PH不锈钢的主要物理常数完全相同，即弹性模量E二2.0*10"Pa,泊桑比U二0.272,密度P=7.8g/cm\

结论：

根据应变式拉/压传感器的使用特性和性能指标，本次的传感器的要求又是要求精度不太高，并为保证弹性稳定性好，故弹性体选用硬化不锈纲材料。

5.3弹性元件的分析和计算

对于荷重测量，要求传感器弹性元件具有高的弹性极限、高的冲击韧性和疲劳极限，具有良好的机械加工和热处理性能，具有高的抗氧化、抗腐蚀性能，而且热膨胀系数和弹性滞后应尽量小。

对于本设计，比较圆柱式弹性元件与s型弹性元件，由于s型只适用于较低应力的场合,故选用圆柱式。

5.3.1弹性元件的参数计算

圆柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如卞图所示。

圆柱的直径根据材料的允许应力来计算。

由上列各式知，若想提高变换灵敏度。

必须减小横截面积S。

但S减小其抗弯能力也减弱,对横向干扰力敏感。

为了解决这个矛盾，在小集中力测量时多采用空心圆筒或采用承弯膜片,空心圆筒在同样横截面情况下，横向刚度人，横向稳定性好。

同理，承弯膜片的横向刚度也大，横向力都由它承担，而其纵向刚度小。

空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。

由于

（3-5）

所以D>l—+d2（3-6）

N观6

式中：

D一一空心圆柱外径；d—一空心圆柱内径。

弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响。

由材料力学可知，高度对沿其横

截面的变形有影响。

当高度与直径的比值H/D〉〉1时，沿其中间断面上的应力状态和变形

状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。

试验研究的结果建议采用

H»2D+L（3-7）

式中L为应变片的基长。

对于空心的圆柱为

HMD-d+L（3-8）

因此，经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。

5.3.2截面积的计算

根据上表可以比较，本次的传感器采用不锈钢IC118N19,查表得o3=1200MPa,E=200GPn。

根据许用应力计算公式［。

］二空，当安全系数乞取2得:

根据公式（3-5）得:

=833.3加

龙（门2、尸max500000

尹一小矿^!

^

又因为应变片的应变比为800|1£—2000p£,取£o=lOOOp£当弹性体的应变比£i小于c才不

至于损坏应变片，得到以下关系式：

P

£1二=—£o

（J

"豊=丽存需E"00〃加

当弹性体的截面积同时人于5,Sd时才能满足整体的设计要求。

S=max[Si,S?

]=2500〃〃"'

为了使传感器过载50$时不至于损坏可是当增人其面枳：

S=（1+50%）x2500nun2«3750nun2

弹性元件的外径D不能选择太小，否则会由于力的偏心造成很人的误差。

在实际计算时先按照额定载荷F,根据材料的参数求得[o-]=600MPa,取D-L0cm并由式（3-6）得：

H=血廿匚4x500000；=£3仙4<7]V龙X600x106

取d=2.3cm

这样空心管的壁厚为：

t=t（D_d）=0.85c/n

5.3.3柱高H及其他尺寸的确定

为了防止弹性元件受压时出现失稳现彖，柱高H应当选得小些，但又必须使应变片能够

反映截面应变的平均值，这里选用弹性元件工作段的长度为：

HA（2〜2.5）D=8〜10cm

取H=9cm

由于壁很薄，还必须检验是否会出现局部失稳。

薄壁管的失稳临界应力公式为:

在超过满量程150%的情况下，弹性元件截面中的应力为:

1.5尸

（7==

A

1.5x500000

==0.9GPa

-（42-2.32）x10-4

4v7

因此，受力超过满量程的150%时的应力还远远小于材料的比例极限和临界应力这表明该元件不会出现弹性失稳。

此外，在两端需有螺纹孔，以便连接螺栓，选用螺孔为M12,它的许用载荷大于lOOOOONo

6.电阻应变片设计

6.1电阻应变片类型的选择

电阻应变片由四个部分组成。

第一是电阻丝（敏感栅），它是应变片的转换元件。

第二是基底和面胶（或覆盖层）。

基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。

第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。

第四是引出线，它作为联结测量导线之用。

电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。

由于电阻丝式应变片有横向效应对测屋的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。

金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。

故选用金属箔式应变片。

箔式应变片的主要优点：

（1）本身性能稳定，受温度变化的影响小；

（2）使用温度范|制比较宽，在-269-+350度范怜I内稳定工作；

（3）适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便：

（4）价格便宜。

（a）单轴的

（b）测扭矩的（c）多轴的（应变花）图4.1各种金属箔式应变片

6.2应变片的材料

6.2.1应变片敏感栅的材料

（1）材料的选用原则

应变片敏感栅合金材料的选择对制作应变片性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变片所用的应变电阻合金有以下的要求：

a有较高的灵敏系数：

b电阻率高；

c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；

d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强；

e与其它金属接触的热电势小：

f与引出线焊接容易。

（2）常用的应变计材料

目前国内还没有一种金属材料能满足上述全部要求，因此在选用时，只能给予综合考虑,常用的有康铜、银俗、卡玛合金、银俗硅鎰等合金。

其各自性能分别如卞：

a康铜：

电阻温度系数较小而且稳定，同时它的Ko值对应变值的稳定性非常高，不但在变形的弹性范闱K。

保持为常熟，在进入塑性范|韦|后，亦基本保持为常数。

所以用康铜作为敏感栅的音变机，测量范围人，可用于大应变测量（达22%）。

对康铜用不同的方法进行加工、不同的热处理、或者改变合金成份的比例，可以改变它

的电阻温度系数（由负值到正值有较人的范怜|）,利用这种特性可以制造温度自补偿应变计。

在静态应变测量时，康铜的工作温度达300°C,在动态测量时，可用到400°Co它可以在高的流体径压力卞和核辐射的坏境下工作。

b银铭合金：

具有较高的电阻率，适于制造小标距的应变计。

但电阻温度系数较人，主要用于动态应变测量,使用温度可达800°Co

在線俗合金中加入少量的其它金属或元素，可以改善合金的性能。

例如掺入少量的铁、铝可制成卡玛合金（6J22）,掺入少量的铜、铝可制成6J23,使电阻率提高和降低电阻温度系数，是指成为更好的适于静态测量的材料。

c铁铭铝合金：

其电阻率较高，灵敏系数较大，而电阻温度系数比银铭合金小得多，比铜银合金人。

d铁银馅合金：

灵敏系数较高，可达3.6。

但由于它的电阻温度系数大（比康铜人6倍以上），同时Ko值在弹性范围和塑性范I制时不一样（分别为3.6和2.5）,使其应用范围受到限制，它值适用于动态测量。

结论：

综上所述，本课程设计采用的材料是康铜。

6.3应变片主要参数的确定

6.3.1几何尺寸

几何尺寸在能够使得弹性元件的应变得到充分响应，即可选用。

根据经验安全系数n:

=2o

因为所选的为塑性材料，

则许用应力M=空=1200x10。

=600MP。

2

因为x7?

x=2.lx120x30xlO^1=0.756

根据KsSs=,且Ks=2,A/?

s=0.756,心=120Q,

Rp

所以有®=仝生=丄竺-=31.5乂107RsKs120x2

所以[e2]=£s=31.5x107

因为k]

所以应取[^]=31.0x10^进行计算。

传感器受压轴的截面面积为:

A=Xf==孚99=0.16xio~4m20]E[^]2.00xl0nx31xl0"4

因为受力面积较小，故受压轴使用圆筒（空心柱式）式结构。

传感器的灵敏系数的确定（检验应变片的灵敏度是否符合要求）

根据公式：

5=w^xl°3

其中：

口为材料的泊松比；F为传感器的额定负荷；K为应变片的灵敏系数；E为材料的弹性模量；人为弹性元件贴片部位的截面积。

有\=7rDH

得此传感器的灵敏系数为:

（1+0.272）x2.0x10000

因为S

6.3.2金属箔式应变片

箔式应变计的敏感栅是用厚度为0.002〜0.005亳米的铜银合金或银馅合金的金属箔，采

用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成。

基底是在箔的另一面涂上树脂胶，经过加温

聚合而成，基底的厚度一般为0.03^0.05iniiio

基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数:

型号

敏感栅尺寸（宽X长）mmXmm

材料

阻值

灵敏度K

基底

PB-5

3*5

箔式

120Q

2.0〜2.2

缩醛胶基

表6・1PB-5应变片参数

7.转换电路原理及设计

7.1电桥电路设计

7.1.1电桥电路原理

应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化AR/R,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。

由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变化范闱也很小，直接测量出这一微小变化比较困难，所以一般利用桥式测量电路来精确测量出这些小的电阻变化。

电桥电路的原理是：

如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。

当电桥平衡时，即电桥输出电压V。

为零的条件是：

R-.Rs^R..

当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻人很多，因此可以把电桥输岀端看成是开路。

若电桥不平衡时，即R/sHRR时，电桥输出：

U=―—__:

U

g+RJ（R严RJ

恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。

单臂电桥时，令R1二R2,R3二R4,R2,R3,R4为定值电阻，在应变片R1工作时，其电阻R1变化AR,此时电桥的灵敏度为：

kfU/4

电压输出为：

U

7.1.2非线性误差

电桥电路的非线性误差为：

Yl二ZXR1/2R

上面各式表明，当电源电压U及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻的大小无关。

直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，测量中常用直流电桥。

为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：

①采用差动电桥；②采用恒流源电桥。

为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为：

U。

二UZXR./R

所以，本设计所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。

此外，由于在零压力时，传感器人约有2mV的不平衡输出，并且放人器有输入失调电压,因此，用组成的电桥电路进行零位调整。

通过改变电位器的值，可改变补偿电压的人小，以使得零压力时U。

二0V,为了保证足够的调整精度，电位器为多圈电位器。

7.2转换电路和信号放大电路

来自传感器的信号通常都伴随着很人的共模电压（包拾干扰电压）。

一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放人器才具有理想特性。

否则，放人器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放人器本身的共模抑制能力有关。

一般运算放人器共模抑制比可达80dB,而采用由几个集成运算放人器

组成的测量放人电路，共模抑制比可达100〜120dBo

结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放人电路。

具体的

电路如图所示

本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路，三就是增益放人电路，这里面还包括共模抑制电路。

7.3各部件之间的输入输出关系

根据上述对运算放大电路分析，其输入级的差模增益的Kd=1+企翟，

为使电桥放大电路的输出电压范围保证在0〜10V之间，以便后接仪表或为

A/D转换所用，则电桥放大电路的差模增益应该为Kd=KdXKd3二180左右。

由于根据本设计的技术要求与性能指标，可确定电桥放大电路各元件参数如下所示：

R6（Q）

R7（Q）

R10（Q）

R12（Q）

R14（Q）

100K

100K

20K

40K

2.25K

由上表计算可得出

因此，当电桥供电电压U二12V时，电桥放大电路的输出电压范围为:

受拉时，Uo=AXUid=180X（5.3568^53.568）mV=O.964224^9.64224V

其中，Uid为电桥输出电压。

理论计算：

当压力F二100N时，有:

Pa=丄公Pa=46.88MPG

48x10"

A/?

=K・/?

2=2.0x350x0.2232xlO"3=0.15624Q

AR

-—=K・w=2x0.2232xIO-3=4.464x1O'4

R

电桥输出：

An

U価二”0•一=12X4.464X10-4V=5.3568mVR

运放输出：

U运放=AxU全桥=180X5.3568=964.224=0.964224V同理，当压力F=1000N时，有：

ct=468.8M/m,£=2.232x10-',AZ?

=1.56240

U全桥=53.568mV,U运放=9.64224V

其它依次类推可以求得。

电桥输出的理论曲线与模拟曲线