电阻应变式称重传感器设计docx.docx
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传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号（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。
《传感器原理与应用》课程主要研究各类传感器的工作原理、简单结构以及实际的应用。
本课程设计时间为两周，课程设计旨在培养学生的综合应用能力，通过本实践环节，使学生加深对理论知识的理解，加深对传感器性能、检测电路的形式与配接、信号的分析与处理等内容的了解，使学生对测控系统的应用与设计有感性认识，为后续课程、毕业设计和工程实践服务。
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。
电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，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、加速度等参数的测量。
目前，无论在数量上还是在应用领域上，与其他传感器相比都具有重要的地位。
其主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定，可靠，测量速度快，适合静态、动态测量。
尚延臣
2009年6月23日
第1章电阻应变式称重传感器的原理
1.1称重传感器的组成部分3
1.2工作原理3
第2章电阻应变片的设计4
2.1应变片的工作原理5
2.2应变片的结构选择5
2.2.1电阻丝应变片5
2.2.2箔式应变片6
2.2.3半导体应变片6
2.3应变片的材料选择7
2.3.1电阻敏感栅材料选择7
2.3.2基底、引出线材料选择8
2.4应变片的参数9
2.4.1应变片基长9
2.4.2应变片的电阻值9
2.4.3应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限9
第3章传感器弹性元件的设计11
3.1弹性元件的选择11
3.2双孔梁受力分析11
3.3弹性元件材料选择14
3.4双孔梁的尺寸选择15
第4章变换检测电路设计17
4.1桥路的设计17
4.2放大电路的设计18
4.3检波、滤波电路的设计18
4.4其他电路的设计与选择19
第5章传感器的工艺设计20
5.1应变片的粘贴工艺20
5.2传感器的封装21
5.3传感器装配21
第6章误差源分析以及处理21
第7章小结23
参考文
献
21
电阻应变式称重传感器设计
第1章电阻应变式称重传感器的原理
电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检
测与控制、自动计量等领域已大量应用。
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、使用条件及外部环境的影响，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，了解称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。
1.1称重传感器的组成部分
称重传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。
应变片是一种传感元
件，它的作用是将变形转变成电阻变化；弹性体是一个有特殊形状的结构件，它的主要作用是将力转换为形变；检测电路的主要部件是惠斯登电桥，它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题，其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。
1.2工作原理
称重传感器的基本电路如图1所示
可以推出：
U厂（&&-尺即5/侃&畑R4）
式中R、R2、Ra、R4为应变片电阻；Ui为传
感器的输入信号；Uo为传感器的输出信号。
当R2R4二RRa时,我们称之为电桥平衡,这时
图1基本电路图
称重传感器的输出电压U0=QmV>物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器，称重传感器的弹性体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）。
再经相应的检测电路，把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流）输出，从而完成将外力变换为电信号的过程。
设F^=R2=R3=R4=R
当受到重力作用后，传感器的应变片电阻发生变化，假设各桥臂阻值变化相同，变量为
R,即：
Ri、R3分别减小R,R2、R4分别增大UR时
可以推出传感器的输出电压为：
U。
—iRUj/R
第2章电阻应变片的设计
2.1应变片的工作原理
电阻应变敏感元件的转换原理是基于导线的电阻-应变效应。
由金属导体的电阻定律知，对于长度为L、截面积为A、电阻率为'的金属丝，其电阻
R=-L/A
结合材料的泊松比定律，经数学变换得金属丝电阻应变特性
dR/R=（12」）；xd-/■-
R/R二Ks*
另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片
R/R二K；x
其中KYKs
2.2应变片的结构选择
应变片的结构形式很多，但其主要组成部分基本相同。
其中较为典型的是丝式、箔式和半导体式。
2.2.1电阻丝应变片
此丝式结构应变片的结构图如图2所示
1—基底2—敏感栅3—覆盖层4—引线
此丝式结构应变片的优点：
制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。
缺点：
回线式应第页变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。
222箔式应变片
此箔式应变片的结构图如图3所示
图3箔式应变片结构图
箔式应变片结构优点：
（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制作成任意形状以适应不同的测量要求；
（2）粘合面积大；
（3）敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；
（4）散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；
（5）敏感栅弯头横向效应可以忽略；
（6）蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。
缺点：
工艺制作有些复杂。
2.2.3半导体应变片
此半导体应变片结构如图4所示
1—基底2—半导体敏感条3—外引线4—引线连接片5—内引线此结构式传感器优点：
灵敏系数大，动态特性好
缺点：
重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。
总结以上典型结构的优缺点比较，选择箔式应变片较好，所以我决定选择箔式应变片作为敏感元件，并且选择如图5所示结构的箔式应变片
图5箔式应变片结构图
2.3应变片的材料选择
电阻应变计主要由电阻敏感珊、基底和面胶（或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。
基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感栅和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。
电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。
应变计结构如图6所示
54
图6所选应变片结构图
1—覆盖层2—基底3—引线4—粘合剂5—敏感栅
2.3.1电阻敏感栅材料选择
敏感栅合金材料的选择对制造电阻应变计性能好坏起着决定性的作用，因此
它的材料选择要求如下：
（1）有较高的灵敏系数，并且在较大的应用范围内保持不变；
（2）有高的和稳定的电阻率；
（3）电阻温度系数小，电阻一温度间的线性关系和重复性好，并有足够的热稳定
性；
（4）机械强度高，加工性能和焊接性能良好，与引线材料接触电势小；
（5）电阻变化率R/R与机械应变；具有良好而又宽广的线性关系；
（6）抗氧化、腐蚀性能强，无明显机械滞后。
目前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
用的电阻合金大致有以下几种：
康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金
属等。
通过查阅资料以及对这几种材料的性能、成本对比，我选择康铜作为敏感栅材
料。
康铜的性能如下：
选康铜作敏感材料的理由如下：
首先这种材料最为常用，电阻温度系数小且稳定，同
K=2,且
时它的Ks值对应变值的稳定性高。
不但在变形的弹性范围内Ks值保持不变，在进入
塑性范围后，亦基本保持为常数。
所以用康铜作为敏感栅的应变计灵敏系数
其测量范围大。
同时对康铜用不同的方法加工，不同的热处理，或者改变合金成分的
比例，可以改变它的电阻温度系数（由负值到正值），利用这一特性可以制造温度补偿
电阻应变计。
而且该材料制作的应变片尤适合长时间、大应变测量。
2.3.2基底、引出线材料选择
基底的作用是固定应变计的敏感栅，使它保持一定的几何形状，并使电阻敏感栅与弹性元件相互绝缘。
应变片基底越厚，基底材料弹性模量越小，引起的蠕变越大。
通常选用基底薄、基底材料的弹性模量较高的应变片，取基底厚度为0.03〜0.05mm
对基底材料性能的要求是：
（1）机械强度高，挠性好；
（2）粘贴性能好；
（3）电绝缘性能好；
（4）热稳定性和抗湿性好；
（5）无滞后和蠕变。
玻璃纤维增强基底应变计长期稳定性好、蠕变小、滞后小、耐热性好、疲劳寿命高，
最适用于高精度测力或称重传感器上，因而我们选用玻璃纤维布作为基底材料。
引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线，一般要求引出线材料具有
低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。
常温应变计引出线多用镀银紫铜丝或铜带。
引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。
我选用了康铜材料的敏
故采用银铜作引出线。
感栅，且其使用条件无特殊要求,
2.4应变片的参数
241应变片基长
度。
对于钢材，：
=5000m/s，若令精度b匚0.5%，最高工作频率怯二25kHz代入上式
可得
Imax二'6〔e6[e]=1.1cm
叫0f兀
故我取应变片栅长I0=1cm。
2.4.2应变片的电阻值
应变片的电阻值是指未安装的应变片，在不同的外力作用下，在室温条件下测定
的电阻值，也称为原始电阻值，单位为门。
应变片电阻值国内标准有：
60、120、350、
600和100^1等各种阻值，目前传感器生产中大多数选用120Q或350Q
的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器长期使用的稳定性。
因此，在考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。
我选用阻值为120Q的应变片。
2.4.3应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限
绝缘电阻是指敏感栅与基底之间的电阻值，绝缘电阻的降低将导致测量灵敏度
的下降，并带来测量误差，产生零点漂移等。
因而要尽量选用基底绝缘性能好的应变
计和粘结剂以提高绝缘电阻。
绝缘电阻值一般大于10叫|。
允许电流是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。
它与应变本身、试件、粘结剂和环境等有关。
要根据应变片的阻值和应用的电路等情况来计算。
为了保证测量精度在静态时允许电流一般为25mA在动态测量时允许电流可达
75〜100mA箔式应变片允许电流较大。
应变极限对于已安装好的应变计，在一定温度下，指示应变与被测试件真实应变的相对误差不超过一定值（一般为10%）时，所能测量的最大真实应变值称为应变极限。
我们要求应变片的应变极限至少要大于1000X10-6。
第3章传感器弹性元件的设计
3.1弹性元件的选择
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7所示,在板状梁上有两个孔，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，当和的变形为拉伸时，和为压缩变形，四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。
另外，这种梁的刚度比单梁好，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。
图7双孔梁结构图
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。
3.2双孔梁受力分析
力P作用在理想位置0处如图8所示
图8受力分析图
在图8所示的结构中，可以把弹性体看作是上、下对称的平行梁式结构，该结构属于
3次超静定问题。
即此结构上的未知约束反力的数目比能列出的独立静力平衡方程的数目多三个。
由理论力学可知：
“限制物体某些运动的条件称为约束”。
物体与约束之间相互作用着力，约束给物体的力限制物体的某些运动。
“约束给被约束物体的力称为约束反力”。
例如单悬臂梁结构见图9（a），其一端固定，另一端为自由端。
当自由端作用力P时，固定
端约束该梁在水平、垂直方向的移动及相对转动。
固定端给横梁的约束用约束反力X、Y、
M表示。
如图9（b）所示。
取坐标系xOy，此力系为平面一般力系，能列三个独立平衡方程来求解三个约束反力。
即：
'x=0X=0
、\y=0Y-P=0,Y=P
'M0=0M'-PL=0,M'=PL
此结构为静定结构。
根据上面分析，我们可将图8的结构简化为图9（a）所示的
图9装置受力简化结构图
计算简图。
在上、下梁的固定端作用六个约束反力，它们分别
是：
X1、Y,、M1（作用在上梁）
X、Y2、M2（作用在下梁）
此力系仍是平面一般力系，仅用静力平衡方程只能解出三个约束反力，其余三个约束反力需用材料力学办法才能求解。
求解过程较复杂，我只引用其结论，在力P单独作用下,
当t1/t2很小时，有：
Xi=X=PL/2H（H为上下臂梁的高度）
¥=¥=P/2
M1=M2=PL/4
载荷P及约束反力均为作用在梁上的外力，要讨论梁的变形须分析作用在梁上各横截面上的内力。
由于此结构上下对称，且结构参数均相同，所受外力也相同，我只研究上梁任一横截面上的内力。
用材料力学的分析方法，为显示出截面上的内力，沿面aa假想地把梁分成两部分，并以
左段为研究对象。
如图10（b）所示
图10材料截面受力图
由于原来的梁处于平衡状态，所以梁的左段仍应处于平衡状态。
作用于左段上的力，除外力X1、Y、M1外，在截面aa上还有右段对它的作用内力，把这些内力、外力分别投影于
x轴、y轴上，其总和应等于零。
由ax=0，得：
N-X1=0N=人（横截面aa上的轴力）
由二y=0，得：
Y-Q=0Q=Y.（横截面aa上的剪力）
若把左段上的所有外力和内力对截面aa的形心O取矩，其力矩总和应等于零。
一般说,
这就要求在截面aa上有一个内力偶矩M
由aM0=0得：
¥x-M[-M二0
因为在外力作用下，变形主要产生在梁深最小的截面附近，因此可以认为截面A-A在
变形后仍保持为平面且该截面的转角不影响截面右边的应力场，那么令A-A截面的转角为
零。
可以认为左段上的约束反力作用在A-A截面上。
由于轴力和剪力对梁的变形影响很小，
故在此仅讨论弯矩M所产生的变形。
由上式得出：
M=Yx—M1
将M/PL/4和¥=P/2代入上式得：
Mn-PL/4Px/2
x=0时，M二—PL/4
x=L/2时，M=0
x=L时，M=PL/4
根据材料力学对弯矩的符号规定：
在图11（a）所示的变形情况下，弯矩为正；反之为在图
11（b）所示的变形情况下，弯矩为负。
由此分析可画出上、下梁的弯矩图，见图5。
显然在
上、下横梁承受的弯矩情况完全一致。
因为它们具有相同的结构参数，故变形情况相同。
横梁左右两部分的结构参数及变形量相同，但弯曲方向相反。
正弯矩产生的应力在中性轴以上为压应力，在中性轴以下为拉应力如图11（a）所示；负弯矩产生的应力在中性轴以上
图11弯矩产生的拉、压应力
3.3弹性元件材料选择
在任何情况下，弹性敏感元件应该保证具有好的弹性特性、足够的精度和稳定性，
在长期使用中和温度变化时，都应保持稳定的特性，因而对材料的基本要求有以下几个方
面：
（1）弹性滞后和弹性后效要小;
（2）弹性模量的温度系数要小；
（3）线膨胀系数要小并且要稳定；
（4）有良好的机械加工和热处理性能；
（5）弹性极限和强度极限要高。
弹性元件常用几种材料的机械、物理性能如表3--1所示
表3--1几种常用材料的机械、物理性能
名称
结构钢
铝合金
牌号
40CrNiMo
30CrMnSiNi2A
30CrMnSiA
LC4
LY12
弹性模量E
105N/mml
2.08
2.10
1.98
0.71
0.71
抗拉强度db
N/mrn
1320
1600
1100
580
490
屈服强度d）.2
N/mrn
1260
850
500
360
线膨胀系数a
10-6/C
（0~100C）
11.4
11.0
23.1
22.7
弹性模量的温
度系数aE
（10-4/C）
—2.0
—3.0
-5.3
—6.9
材料密度P
7.80
7.85
2.3
2.78
比较这几种材料我发现结构钢中30CrMnSiA则是多用于制造小尺寸的弹性元件，其淬
火时的淬透性差，而40CrNiMo与30CrMnSiNi2A在很多方面性能均相似，但40CrNiMo是测力传感器弹性元件最常用的材料•LC4和LY12都属于硬铝合金，它们均适合制造小量程测力传感器及动态传感器的弹性元件。
因而我最终选用LC4材料作为弹性元件的材料。
3.4双孔梁的尺寸选择
设贴应变片处的梁孔的截面的宽度为b,高度为h
则W二bh2/6而E=0.71GpaK=2.2
由于此传感器的量程为0-50N
在四处贴应变处最大的应变为r=（PL/2・M）/EW其中Pmax=50NM=PL/4
假设暂定L2=120mmL=80mmb=44mmh=3mmH=46mm
则W=66代入式子d-（50120M）/EW得：
；,=1494X10&<1500X10-6
符合要求。
第4章变换检测电路设计
检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。
因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等。
4.1桥路的设计
由于电阻应变敏感元件的温度特性不完全相同，弹性元件各处的材料性能也有差异，当温度变化时，电桥就会有输出，造成测量误差，主要有两主要因素造成的：
（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变
（2）试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，式应变片产生附加应变
它有两种现象，一种是不受载荷时，温度变化，电桥就有输出，成为“零漂”；另一种是
在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度变化而变化，称为“动漂”。
因此，在桥路设计时应将这些因素考虑在内。
于是我就设计交流全桥式等臂电桥电路。
图12全桥式等臂电桥电路
初始状态：
R仁R2R3=R4当应变片感受到应变时电桥输出电压
U°=UQR/R
由3.2节知：
如果把应变片组成全桥式等臂电桥电路路，如图
u。
=UiK（；1-；2-3；4）/4=UK
12所示，桥路输出为:
（1）
i=（PL2M）/EW；2=（PLiM）/EW
3二（PL2M）/EW；4一-（PLiM）/EW
带入
（1）式得：
U°=UjKPL/2EW其中：
K为电阻应变片的灵敏系数；■:
为力P作用下贴片处的应变量采用此电桥电路的理由如下：
（1）此类电桥电路的灵敏度高，是单一工作应变片工作时的4倍
（2）输出输入呈线性，没有非线性误差
（3）能够温度补偿，大大减小因温度而造成的误差
4.2放大电路的设计
由于此传感器的电桥输出阻抗很高，这就需要一个输入阻抗同样很高的放大电路与之匹配，并且此放大电路的输出阻抗应该较小。
据此，我选择设计双运放高共模抑制比同相串联结构放大电路，如图13为获得零共模增益，
图13同相串联结构放大电路
应使R/R2二R3/R
电路的差动闭环增益为：
Kd=1R3/R4
确定了P=50NK=2.2L=80mmE=0.71GpaW=bh2/6=66代入公式U^UiKPL/2EW得：
U0-77.5Ui10*
故当输入Uimax=12V时U0=8.54mv
因此要得到足够的功率去推动指示仪表或记录器，若经放大电路输出的信号最大值
Uimax=12V则此放大电路的增益&=2103/8.54=234
由于Kd-1R^/Ri放大部分的增益设为117
则R3/R,=116取R,=100QR,=11.6kQ那么对应的R=11.6kQR2=100Q
4.3检波、滤波电路的设计
经过放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原为被检测应变信号的波
形。
而一般的检波器只有单向的电压输出，不能区别拉压应变信号。
因此，我采用能克服上述缺点的相敏检波器，它可以有双向信号输出，能反映出应变的拉或者压
其电路如图14
图14精密整流型全波相敏检波电路
其放大增益设为1
则对应的电阻阻值为：
氏=2&=2&=240,|R=R,=&=120「C=Wf
由相敏检波电路输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤掉，方能得到被检测应变信号的正确波形。
一般用电容，电感组成二型低通滤波器。
对滤波器的特性要求，要考虑到和前级相敏检波电路的匹配，又要考虑和后级记录器
15
的匹配。
由于它要滤去高频波中频率最高分量，即是载波频率■，而一般被测应变信号?
率比••小很多，故滤波电路的截止频率只要在（0.3~0.4）■，就可满足频率特性要求。
所以我在这里选用压控电压源型二阶低通滤波电路，电路如图
我选择设计截止频率为80HZ的低通滤波电路，其参数如下:
1；RiR2CiC2®3rad/S则只厂“2*尺迟金2阳
4.4其他电路的设计与选择
由滤波电路输出的应变信号，要用合理的显示装置显示出来，因此，我选用七段译
码显示器及CD4511如图16
第5章传感器的工艺设计
5.1应变片的粘贴工
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