基于电阻应变片的称重传感器设计 毕业设计
毕业设计说明书基于电阻应变片的称重传感器设计
班
姓
学
专
指导教师：
2014年 6 月
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 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, 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, sensitive 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 measurement 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 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 gauge
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)
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)
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)
1 绪论
1．1 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。
1．2 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、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]。
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。
2 传感器的相关知识
2．1 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]。
2．2 传感器的工作原理
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。
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，1R 、2R 会随力增加而缩短，同时，外面的电阻3R 会受应力而拉伸。在弹性范围内，应力与应变成正比关系：
SE F E l l ==∆=σε （2.1）
式中：F —作用在弹性元件上的集中力；S —圆柱的横截面积。
这个公式说明应力的变化和圆柱体受力的大小和圆柱的横截面积有关，其中一个变化应力就随着变化。
同样的道理图2.2是梁式力传感器的简易原理图，弹性元件为一端固定的悬臂梁，力作用在自由端，顺着l 的方向分别贴上1R ，2R ，3R ，4R 电阻应变片。此时，1R 、4R 随力增加而拉伸，2R 、3R 随力增加而压缩，两者发生极性相反的等量应变，粘贴应变片处的应变为：
E bR Fl E 26==σε （2.2） 这种传感器会因受力的变化应力也改变。
上述这两种传感器具有结构简单、加工容易、应变片容易粘贴、灵敏度高等特点。
2．3 传感器的组成结构
传感器亦称变换器，是将各种非电量（包括物理量，化学量，生物学量等）按一定的规律转换成便于处理和传输的另外一种物理量（一般为电量、磁量等）的装置，它能把某种形式的能量转换成另一种形式的能量[3]。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路3部分组成，有时还需加上辅助电源，其原理如图2.3所示。
图 2.3 传感器原理框图
其中：（1）敏感元件直接感受被测物理量，如在应变式传感器中为弹性元件；
（2）传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件；（3）测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路，使用较多的是电桥电路。由于传感器元件输出的信号一般较小，大多数的测量电路还包括放大电路，有的还包括显示器，直接在传感器上显示出所测量的物理量；（4）辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。
下面具体介绍这几种元件的性能:
（1）敏感元件：敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。例如铂式电阻能根据感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降做出的响应，所以铂式电阻就是一种温度敏感元件。又如弹性膜盒能根据感受压力的高低而引起形变，形成程度就是对压力高低做出的响应。因此，弹性膜盒是一种压力敏感元件。
为了获得被测变量的精确数值，不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵
敏，还希望它不受或少受其它环境因素的影响。也就是说，敏感元件的输出响应最好单值地取决于输入被测变量。例如箔电阻的阻值除受温度影响外，也受应力的影响，这就要求用适当的工艺消除应力。弹性膜盒的形变除取决于压力变化外，也和环境温度变化有关，必要时应采取温度补偿措施。敏感元件的输出响应与输入变量之间如果是线性关系，当然最便于应用。即使是非线性关系，只要这种关系不随时间而变化，也可以满足使用的基本要求；
（2）传感元件：传感器不只是一般的敏感元件，它的输出响应还应该必须是易于传送的物理量，所以就要用到传感元件。传感元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成易于传递的物理量的部分。例如弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量（位移），不便于远距离传送；
（3）测量电路：转换电路是将转换元件输出的可用信号作为输入，将其进行放大、显示和记录的电路。转换电路的类型和被测量、测量原理以及转换元件有关，常用的电子器件有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。
3 电阻应变片的相关知识
3.1 电阻应变片的结构和工作原理
电阻式传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器大致分为两类：电阻应变式和电位计式。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数[4]。
压力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一种电阻应变式传感器。传统的电阻应变式压力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器。如图(3.1)所示，将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外施压力作用时，弹性敏感元件将产生应变，电阻应变片将它们转换成电阻变化，再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。它是目前应用较多的压力传感器之一，因具有结构简单、使用方便、测量速度快等特点而广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等诸多领域。
图 3.1 传统的电阻应变片
传统的电阻应变式压力传感器的电阻敏感栅是刻录在一层绝缘脂薄膜上，而薄膜又通过粘结剂粘合到弹性基片上，由于弹性元件与粘结剂及绝缘脂膜之间的弹性模量不同，弹性元件的应变不能直接传递给敏感栅，而是要通过粘结剂、绝缘脂膜才能到达敏感栅，从而产生较大的蠕变和滞后，影响传感器的灵敏度、响应度、线性度等性能。另外，由于粘结剂不能在高温条件下使用，这也使它的应用范围受到限制。
为了消除绝缘薄膜层和粘结剂层对传感器性能的影响，本文尝试采用真空镀膜方法及光刻技术，在弹性元件上直接刻录敏感栅，弹性元件与敏感栅直接接触，以克服常规工艺导致的滞后和蠕变大的缺陷。另外，如果弹性材料和结构选择恰当，还可制成耐高温、耐腐蚀的全隔膜式薄膜压力传感器
3.2 电阻应变效应
3.2.1 金属材料的电阻应变效应
早在1856年英国物理学家首先发现了金属的电阻应变效应。金属导体的电阻随着它所受机械变形（伸长或缩短）的大小而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。这就是电阻应变片赖以工作的物理基础。
虽然这种物理现象很早为人们所知，但因为当时测量技术还不发达，因而未能得到利用。直至二次大战时期，由于电子技术的进一步发展，美国研制出了粘贴式电阻应变片，并首先应用于航空工业，对当时航空技术的发展做出了贡献。
为什么金属导体的电阻会随着其变形而改变呢？道理很简单，这是因为导体的电阻是与材料的电阻系数以及它的几何尺寸（长度和截面）有关的，导体在承受机械变形过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻发生变化。下面来求导体的电阻变化与变形之间的量的关系，即金属材料的灵敏系数。
3.2.2 电阻—应变特性
设有一根长为l 、截面为S 、电阻系数为ρ的金属丝，其电阻为S l R ρ
=、有： S l
R ρ= （3.1）
式中：R —电阻值（Ω）；ρ—电阻系数(12-⋅⋅Ωm mm )；l —电阻丝长度（m ）；
S —电阻丝截面2
)(mm 。 设导线在力F 的作用下，其长度l 变化dl ，截面S 变化dS ，半径r 变化dr ，电阻系数ρ变化ρd ，因而将R 引起变化dR 。将（3.1）式微分，可得
)(ρρd S dS l dl R dR +-=
即：
ρρd S dS l dl R
dR +-= （3.2）
因为2r S π=，rdr dS π2=所以： r dr S dS 2= （3.3）
令ε=l dl ，为电阻丝轴向相对伸长即轴向应变，而r dr 则为电阻丝径向相对伸长即径向应变，两者的比例系数即泊松系数为μ，负号表示方向相反，有：
μεμ-=-=l dl r dr （3.4）
将（3.4）式代入（3.3）式得：
με2-=S dS （3.5）
将（3.5）式代入（3.2）式并经整理后得：
εερρ
μ])21[(d R dR ++= （3.6）
即：
ερρμεd R dR
K ++==)21(0 （3.7） 0K 称为金属材料的灵敏系数，它的物理意义为单位应变所引起的电阻相对变化。由（3.7）式可知，金属材料的灵敏系数受两个因素的影响；一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，既（1+2μ）项；另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起的，即ερρd 项。这是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，由于这一项目前不能用解析式来表达，所以0K 只能依靠实验求得。根据大量实验证明，在电阻丝拉伸的比例极限内，电阻的相对变化与应变是成正比的，即0K 为一常数。因此（3.7）式以增量表示可写为：
ε0K R R =∆ （3.8）
上式表示金属材料的电阻相对变化与轴向应变成正比。
3.2.3 应变片测试原理
用应变片测量应变或应力，是将应变片粘贴在被测对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相应的变化，
∆。因此应变片的电阻也发生相应的变化。如果应用仪器测出应变片的电阻值变化R
ε，而根据应力-应变关系。
则根据式（3.8），可以得到被测对象的应变值为x
σE
ε
=（3.9）
式中：σ—试件的应力；ε—试件的应变；可以得到应力值σ[5]。
通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。
3.3 电阻应变片的种类及材料
3.3.1 电阻应变片的种类
现代应变片根据实际需要已发展成为多种型式：尺寸长的有几百毫米，短的仅0.2毫米；形式上有单片，应变花和特殊形状的图案;使用环境，有高温、低温、水下、抗辐射、高压、抗强磁场等；安装形式有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。此外，应变片的工艺和原理还被移植到其他领域，产生了许多性能优良的特殊片，如高精密电阻、疲劳片、裂纹片、测温片及传感器补偿片等。因此，传感器仅仅是应变片技术的应用领域之一[6]。
下面具体介绍几种应变片的特点，见表3.1
表 3.1 用于传感器的各种应变片
金属丝式应变片有回线式和短接式两种，图3.2所示为回线式应变片。
图 3.2 回线式应变片
它的敏感栅材料直径在0.012～0.05mm之间，以0.025mm左右为最常用,回线的曲率半径r为0.1～0.3mm，基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。引线多用0.15～0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大[7]。
所有电阻片中，丝式片属最基本的传统结构，也是传感器中常用的品种，其生产和使用历史较长。丝材加工及处理技术比较成熟，灵敏系数比较一致，温度系数可选择适当的合金成分及热处理进行调节，因此可达到自补偿。但直径不能过细，否则会要限制使用电压。
2.箔式应变片
箔式片的丝栅尺寸小，形状任意、柔软、横向效应小，容许电流大，疲劳寿命高，蠕变及滞后好，应用日益增多，早期获得均匀的箔材比较困难，但目前已是应变式传感器中使用的主要品种。箔式片所用箔材，一般厚为3～5微米，常用铜镍合金（如康铜），但近年来随着技术的发展，应变片用箔材也发展成为系列。制作方法除开光化学腐蚀外，也可采用精密冲压法，冲压法与腐蚀法比较，栅条无毛刺，性能比较一致。我国由于原材料（箔材性能尚不完全过关）和工艺（箔式片不易粘贴，焊点容易脱落等）关系，目前丝式片、尤其是高温和低温片，仍占主要地位[8]。
（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求；
（2）敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大，故粘合
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。
3.薄膜应变片
薄膜片是目前高精度传感器中很有前途的新型电阻片（国外称之为无蠕变工艺）。其原理，虽早在五十年代初就有人提出过，但遇到多方面的工艺困难，制成的薄膜稳定性差无法实用，直到最近十余年才有所突破。目前，对于金属薄膜片而言，比较成熟的方法有两种：一是真空蒸发，二是溅射式阴极扩散。由于溅射的分子具有很大的能量，不能蒸发只凝结在表面，故附着力强，膜的性能好[9]。为了沉积基底绝缘材料，进一步改善溅射过程，需采用高频溅射系统，这种片的优点是：阻值比箔式高，形状和尺寸也比箔式片更小更精确，没有箔式片腐蚀所引入的疵病；制成的结构导热良好，对于较宽的工作温度范围也可达到较完善的补偿。尤其突出的是：陶瓷绝缘代替了胶接，既避免了复杂的分选和粘贴技术，而且对胶所引入 的漂移、疲劳等弱点都有很大的克服。制成的传感器可以达到较高的水平。
4.半导体应变片
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。常用的半导体应变片系用锗和硅等半导体材料作为敏感栅，一般为单根状，根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。
3.2.2 电阻应变片的材料
1.敏感栅材料
制造应变片时，对敏感栅材料的要求：①灵敏系数s K 和电阻率ρ要尽可能高而稳定，电阻变化率R R ∆与机械应变ε之间 应具有良好而宽广的线性关系，既要求s K 在很大范围内为常数；②电阻温度系数小，电阻-温度间的线性关系和重复性好；③机械强度高，碾压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；④抗氧化、
耐腐蚀性能强，无明显机械滞后[10]。
此外，制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等，材料性能见表3.2所示。
表 3.2 常用应变电阻丝材
应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基（有机聚合物）取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚约0.03-0.05mm。
对基底材料性能有如下要求：①机械强度好，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。
3.引线材料
康铜丝敏感栅应变片，引线系采用直径为0.05-0.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。其他类型敏感栅，多采用直径与上述相对的铬镍、铁铬铝金属丝或偏带作为引线。与敏感栅点焊相接。
3.4 金属应变片的主要特性
1.灵敏系数
灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向
εR
R k ∆= （3.10) 应变片的电阻R 的应变特性与金属丝不同，因此必须用实验方法对应变片的灵敏系数K 进行测定。测定时必须按规定的标准，例如受轴向单向力（拉或压），试件材料泊松系数为μ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值作为该批产品的灵敏系数，又称“标称灵敏系数”。实验表明，电阻应变片的灵敏系数k 值恒小于电阻丝的灵敏系数
0k ，其原因除了粘结层传递变
形失真外，还存在有横向效应。
2.横向效应
如图3.3所示，当应变波为阶跃波时，由于应变波通过敏感栅全部长度需要时间，所以应变片所反映的波形经过一定时间延时，才能达到最大值。
图 3.3 应变片的横向效应
粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片，如图3.3所示，其敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变x ε，电阻值将增加，但在圆弧段上，沿各微段轴向（即微段圆弧的切向）的应变却并非是x ε，因此
与直线段上同样长度的各段所产生的电阻变化就不相同，最明显的是在2πθ=处
微圆弧段上，按泊松系数的关系，在垂直方向上产生负的压应变
y ε，因此该段的电阻是减小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由+x ε变化到-y ε。由此可见，将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称为横向效应。应变片横向效应表明，当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数k 时的标定规则不同时，例如，μ≠0.285或受非单向应力状态、以及横向效应的影响，实际k 值要改变，由此可能产生较大测量误差。当不能满足测量精度要求时，应进行必要的修正。为了减少横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。
3.机械滞后
应变片安装在试件上以后，在一定温度下，其ε-∆)(R R 的加载特性与卸载特
性不重合，
图 3.4 应变片的机械滞后
如图3.4所示，在同一机械应变值g ε下，其对应的R R ∆值不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的滞后。产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的，为了减小滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。
4.零漂和蠕变
粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。
基于电阻应变片的称重传感器设计 毕业设计
毕业设计说明书基于电阻应变片的称重传感器设计 班 姓 学 专 指导教师： 2014年 6 月
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 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, 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, sensitive 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 measurement 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 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 gauge
电阻应变式传感器原理及称重分析
一、电阻应变片 电阻应变片是把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。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R=ρL/S（Ω）（2—1） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。 对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2（2—2） 用式（2--1）去除式（2--2）得到 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S（2—3） 另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以 ΔS/S=2Δr/r（2—4） 从材料力学我们知道 Δr/r=-μΔL/L（2—5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L =（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L =K*ΔL/L（2--6） 其中 K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７）
式（2--6））说明了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）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数K值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、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在 1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便 常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（２--６）常写作： ΔR/R=Kε(2—8) 二、弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是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棗电信号的转换任务。 以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。 设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。 肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。 ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3）（2--9） 其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。 三、检测电路 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，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。
数字电子秤设计毕业论文
数字电子秤设计
数字电子秤设计 摘要 本文主要介绍了数字电子秤的硬件电路结构及其中的原理，所设计的电子秤具有基本称重、键盘输入、计算价格、显示、超重报警功能。电子秤的测量范围为0-10Kg，测量精度达到 1g，有高精度，低成本的特征。首先用传感器把重量转换成电压信号，再将电压信号放大输入A/D转换，利用A/D转换工具将模拟信号转化为数字信号，得到的数字信号传送至单片机，通过程序对信号进行处理，实现称重功能，然后将重量与键盘输入单价相乘计算出总价，并将重量和价格用LED显示出来。 关键词电子秤；称重传感器；单片机
ELECTRON IC SCALE DESIGN ABSTRACT This paper mainly introduces the structure of a digital electronic scale’s the hardware circuit and its principle. The functions of a digital electronic scale are weighing, keyboard input, price calculation, display, overweight alarm. Electronic Scale is of the 0-10 Kg measurement range, 1 g measurement accuracy ,a high-precision, low-cost, portable features. Firstly, it uses weighing sensors to convert the weight signal to voltage signal, then amplifys voltage signal, input it to A / D converter; secondly A / D converter converts analog signals to digital signals, the digital signal will be sent to the microcontroller, through the process of Signal processing, the weight and price will be displayed on LED. KEY WORDS digital ；electronic scale; weighing sensor; MCU
传感器电子秤设计
传感器电子秤设计 《传感器技术》课程设计 课题：设计一种电子秤 班级 学生姓名学号 指导教师 XX学院 XX年X月X日 数字电子秤设计 1.系统方案设计 1.1 概述 本课程设计的电子秤以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤（量程0~1.999kg）。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。双积分型A/D转换器ICL7107的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。
1.2 系统方案框图 电路方框图如下： 图1.电路方框图 2.工作原理 2.1 检测原理 本设计由以下四部分组成：电阻应变传感器、信号放大系统、模数转换系统、显示器。其原理图如下所示。 测量过程是把被测物体的重量通过传感器将重量信号转化为电压信号输出，放大系统把来自传感且微弱信号放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟量转换成数字量，数字量通过数字显示器显示重量。传感器的测量电路我们选用全桥测量电路，应变电阻作为桥臂电阻接在电桥电路中。无压力时，电桥平衡，输 出电压为零；有压力时，电桥的桥臂电阻值发生变化，电桥失去平衡，有相应电压输出。三运放大电路是把传感器的微弱信号放大，以满足模数转换的要求，为保证测量的准确，放大器应该尽量做到高阻输入低阻输出，因此一般选用运算系统组成放大电路。 2.2 传感器的选择 2.2.1 电阻应变式传感器的组成以及原理 电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻
基于电阻应变式传感器的电子称的设计
学士学位毕业设计（论文）(顶格写) 论文题目(黑体小初) 学生姓名：XXX 指导教师：XXX 所在学院：信息技术学院 专业：计算机科学与技术 中国·大庆
摘要 这部分是摘要《传感器与自动检测》内容概要：《传感器与自动检测》主要介绍了检测技术的基本知识，工业、生活等领域常用传感器和一些新型传感器的工作原理、基本结构和安装使用方法，检测系统的信号处理和抗干扰技术，传感器的综合应用、综合实训和综合设计等。《传感器与自动检测》以实用性、操作性、创新性为特色，以项目为载体，采用任务驱动的教学方式，突出了各种常用传感器的单项和综合应用内容；同时设置了传感器综合实训和设计项目，以加强对传感器实际应用能力的培养和提高。《传感器与自动检测》可作为高职院校、成人学校及本科院校开办的二级职业技术学院电气自动化 关键词：电子秤电阻式传感器三运放大电路新型传感器
前言 电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。 本课程设计的电子秤是利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲V改为重量纲g即成为一台原始电子秤。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示路中去，最后由显示电路显示出测量结果。 由于溶剂使用率的减少，以及更为强大的物质出现，需要提高过程称重仪表精确度的呼声越来越高。例如研究显示，随着新型甜味剂的出现，消费者可以识别1ppm的偏差。这相当于一批重量为一吨的产品中一克的偏差。过程称重技术是可在如此广的范围内精确并且可靠测量的为数不多的测量过程之一。由于该过程具有高度的动态性，因此还可确保测量设备的灵活应用，这在需要制造的产品经常变化的情况下十分重要。为了确保过程的质量与可再生性，梅特勒-托力多所生产的MinWeigh?为用户提供了根据所使用称重设备以及所需精确度计算与监测最小重量的智能称重功能。 在这种情况下，必须了解准确性、重复性以及分辨率的实际意义。在称重技术领域中，许多制造商开始采用在不提高精度和重复性等相关参数的情况下提高显示精度的做法。尽管通过这种方法从表面上看可以达到更高的精度，但是进一步分析证实这是一种错误的做法。即使对于料罐的液位测量而言，提高使用超声波的标准液位测量方法精确性的需求促使了基于称重的解决方案的出现。目前，即使是重量超过百吨的料罐仍可“放在秤上”。由于这种称重技术可在无需接触介质的情况下直接进行质量测量，并且可耐受泡沫与水气的影响，因此还可用于其他诸多的关键应用。 在工业，农业，制造业加工领域当中，过程称重技术正在越来越多的应用中发挥着重要作用。人们恐怕想不出许多能够与称重一样令人熟知与随处可见的测量过程。无论是在浴室秤上测量自己恼人的体重，还是在机场办理手提箱托运，称重几乎是一种随处可见的过程。那么究竟哪些是最为重要的传感器技术、发展与未来开发产品呢? 应变片的应用 基于应变片的传感器始终具有较高的称重精确度。在过去的10年当中，这种称重传感器的精确度提高了5倍，这意味着应变片式称重传感器可以用于此前力补偿传感器可以使用的应用领域当中。目前，基于应变规的测量系统用于水箱与锅炉称重、罐装系统、称重平台与检重秤。由于这种测量原理具有机械坚固性以及外等功能，因此很有可能在未来获得极高的普及率。 压力补偿 在生产环境中使用力补偿传感器的愿望可以令人理解。没有其他的任何测量原理可以在如此广的范围内提供如此精确并且可靠的结果。随着最新工业开发成果的问世，这些传感器现已能够在需要较高防护等级保护的危险区域内使用。复杂的过滤器算法，加上强大的微处理器，能够很可靠地区分质量与环境影响的有效变化。内置检
电子称重传感器及信号调理电路设计
目录 目录-----------------------------------------------------------------------------1 摘要-----------------------------------------------------------------------------2 一、方案设计-----------------------------------------------------------------------3 1.1.选择的传感器类型------------------------------------------------------------3 1. 2.对传感器的分析---------------------------------------------------------------4 1.3.系统方案------------------------------------------------------------------------6 二、理论分析-----------------------------------------------------------------------6 2.1.应变片的电阻应变效应------------------------------------------------------6 2.2.应变灵敏度---------------------------------------------------------------------7 2.3.测量电路------------------------------------------------------------------------8 三、电路设计：电路原理图及各部分分析-----------------------------------10 3.1.应变片全桥电路分析---------------------------------------------------------10 3.2. 差动放大器器电路分析-----------------------------------------------------10 四、实验-----------------------------------------------------------------------------11 4.1.实验目的------------------------------------------------------------------------11 4.2.实验步骤------------------------------------------------------------------------11 五、数据分析-----------------------------------------------------------------------18 六、误差分析------------------------------------------------------------------------19 七、总结------------------------------------------------------------------------------20 参考文献-----------------------------------------------------------------------------21
基于电阻应变片式传感器的电子秤设计
基于电阻应变片式传感器的电子秤设计在电子秤系统设计中,主要需要设计电子秤的软硬件电路,并且需要做好软硬件调试工作,最后进行称重测试｡硬件部分主要核心为51单片机,在试验当中使用stc89S152作为控制单片机对数据处理进行控制,数据采集过程中通过放大电路进行放大,使用24位ad芯片hx711进行模数转换,转化工作结束之后,再在单片机当中进行处理,通过LCD12864对其数据进行显示｡最后达到的要求是如果称重范围是在5到500克,如果重量小于5克的时候,控制器称重误差不大于0.5克,如果称重重量在0-50十克以上的过程中控制其误差小于1克,这种电子秤具有可以数字显示､金额自动累加､自动计价､去皮､快速方便等诸多优点｡ 称重设备在国民经济发展过程中应用非常广泛,对称重设备的要求也逐步提高,比如说要求称重设备具有很高的精度和抗干扰能力,以前的电子秤一般情况下都是有模拟电路来进行实现的,伴随当前数字芯片发展的速度进一步加快,逐步开始取代模拟控制,电子设计过程中,逐步使用单片机为核心处理器｡这样可以让电子秤的可靠性和精度大大提高｡本文主要以电阻应变片为主要信号采集装置,以 stc89s52为单片机对其进行控制,设计一款便携式智能电子设备｡ 1电阻应变片式电子秤的基本组成单元 电子秤主要通过物体重力来对物体的质量进行确认,也可以对与质量相关的其他特征参数量的大小进行确认,基本组成单元有以下几个｡第一是承重传力复位系统,这套系统主要用于物体和转换元件之
间进行机械传力,主要功能有承受物体的载荷､限位､减震､具有全桥结构等｡其次是称重传感器也就是将非电为量转化为电为量的传感器｡这种传感器需要确定输出量和输入量保持一致,线性效果较好,灵敏度较高,在称重过程中｡不会受到物体状态的影响,在较差的条件下,也能具有很好的稳定性｡第三是测量显示和数据输出载荷测量装置,这种装置主要包含了电子线路,比如说调节器､补偿元件､转换模模块､放大器以及一些指示部件｡ 1.1系统总体设计分析 本系统当中主要有数据显示､放大转换､测量控制､键盘､电池等多部分组成,以下为设计总框图｡ 1.2电阻应变片式电子秤的基本工作设计原理 如果物体被放到称重平台上,电阻应变片传感器就会出现一定的形变而传感器会将这些力效应转化为电效应,也就是随着重力的变化依照被测物体的重力变化形成一个模拟电信号,这个信号相当微弱,经过滤波放大之后,再通过ad转换,可以将其转化为数字信号,最后通过mcu对其进行处理,简单说来就是mcu实时扫描各功能开关和键盘,依照键盘输入情况以及功能开关的状态进行分析和判断,读取重量数据,利用软件程序对算法进行控制,最后在液晶屏上显示结果｡ 本次研究的电阻式应变片,传感器特点鲜明,优势明显,频率响应好,结构小巧,精度较高,应用和测量范围广,使用方便,可以适应很复杂的环境,在强磁场､高温高压等条件下均可使用,很适合进行自动化测量｡
基于电阻应变片的称重传感器设计
本科生课程设计成绩评定表 指导教师签字： 年月日
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 基于电阻应变片的称重传感器设计 初始条件： 要求完成的主要任务: 时间安排： 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1.绪论 (1) 1.1概述 (1) 1.2设计任务分析 (1) 2.方案选择与分析 (2) 2.1方案选择 (2) 2.1.1总体方案设计 (2) 2.1.2硬件的方案设计与论证 (2) 2.2弹性元件的设计 (4) 2.2.1弹性元件选择 (4) 2.2.2双孔梁受力分析及尺寸设计 (6) 2.3电阻应变片的设计 (7) 2.3.1应变片的结构选择 (7) 2.3.2应变片的材料选择 (7) 2.4原理简述 (9) 3.检测电路设计 (11) 3.1电桥电路 (11) 3.2电源电路的设计 (12) 3.3前级放大电路 (12) 3.4检波滤波电路 (13) 3.5显示电路设计 (14) 4.传感器的封装与装配 (16) 5.误差源分析及处理 (16)
6.传感器的标定 (17) 7.体会心得 (17) 参考文献 (18) 附录1：元器件清单 (19) 附录2：参考程序 (20) 附录3：零件图 (23) 附录4：装配图 (24) 附录5：电路图 (24) 附录5：电路图 (25)
1.绪论 1.1概述 传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。 随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。而且随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，本文设计了一种电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的电路设计与软件流程。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、体积小、操作简单、性能价格比高、功耗低、系统设计简单。 1.2设计任务分析 1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成电桥； 2.选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并 根据测试极限范围进行强度校核； 3.完成传感器的外观与装配设计； 4.完成应变电桥输出信号的后续电路的设计和相关电路参数计算，绘制电路原 理图（4号图纸）； 5.按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000字左右）； 6.按机械制图标准绘制弹性元件图（4号图纸）,机械装配图各一张（≥3号图 纸）； 根据任务要求，本次设计的传感器测量压力范围为0~490N（质量范围是0~50kg），选用双孔弯曲式弹性元件。
电阻应变式称重传感器设计
前言 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
目录 第 1 章电阻应变式称重传感器的原理 (1) 1.1 称重传感器的组成部分................................ 错误!未定义书签。 1.2 工作原理............................................ 错误!未定义书签。第 2 章电阻应变片的设计................. 错误!未定义书签。 2.1 应变片的工作原理.................................... 错误!未定义书签。 2.2 应变片的结构选择.................................... 错误!未定义书签。 2.2.1 电阻丝应变片................................... 错误!未定义书签。 2.2.2 箔式应变片..................................... 错误!未定义书签。 2.2.3半导体应变片................................... 错误!未定义书签。 2.3 应变片的材料选择.................................... 错误!未定义书签。 2.3.1 电阻敏感栅材料选择............................ 错误!未定义书签。 2.3.2 基底、引出线材料选择........................... 错误!未定义书签。 2.4 应变片的参数........................................ 错误!未定义书签。 2.4.1 应变片基长..................................... 错误!未定义书签。 2.4.2应变片的电阻值................................. 错误!未定义书签。 2.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限........... 错误!未定义书签。第 3 章传感器弹性元件的设计............... 错误!未定义书签。 3.1 弹性元件的选择...................................... 错误!未定义书签。 3.2 双孔梁受力分析...................................... 错误!未定义书签。 3.3 弹性元件材料选择.................................... 错误!未定义书签。 3.4 双孔梁的尺寸选择.................................... 错误!未定义书签。第 4 章变换检测电路设计.................. 错误!未定义书签。 4.1 桥路的设计.......................................... 错误!未定义书签。 4.2 放大电路的设计...................................... 错误!未定义书签。 4.3 检波、滤波电路的设计................................ 错误!未定义书签。 4.4 其他电路的设计与选择................................ 错误!未定义书签。第 5 章传感器的工艺设计.................. 错误!未定义书签。 5.1应变片的粘贴工艺..................................... 错误!未定义书签。 5.2传感器的封装......................................... 错误!未定义书签。 5.3 传感器装配.......................................... 错误!未定义书签。第 6 章误差源分析以及处理................. 错误!未定义书签。第 7 章小结.......................... 错误!未定义书签。 参考文 献·····································
电阻应变式称重传感器的设计
电阻应变式称重传感器的设计《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 (2) 一、称重传感器 (2) 1、简介 (2) 2、种类 (3) 二、电阻应变式称重传感器及其设计 (3) 1、电阻应变式称重传感器简介及工作原理 (3) 2、传感器的设计概述 (5) 3、设计传感器的工作原理 (6) 4、传感器弹性元件结构 (7) 5、传感器测量电路 (8) 6、传感器的特性 (9) 7、称重传感器常用技术参数 (11) 8、传感器设计相关参数选择 (13) 9、应用技术及应用领域 (16)
三、总结 (17) 四、参考资料 (17) 1 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，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 2
应变式称重传感器的设计与计算
应变式称重传感器的设计与计算 通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。 在某些产业中，如航天产业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很轻易修正的。假如称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并丈量出这些影响量所造成的误差。假如某部分结构(如接头、销子、压杆)用来丈量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。 在过往十年中，计算机技术的发展改变了称重传感器的设计、制造与记录方式，例如在电阻应变计被安装后，所有的称重传感器都有一个原始的不平衡(当没有载荷作用时，也有输出信号存在)。通常零点调整电阻被应用于贸易称重传感器，以便消除这种不平衡。运用计算机程序，零点不平衡数据很轻易被除掉。除了零点调整电阻外，在精密的贸易称重传感器中安装了很多电阻，便于补偿诸如零点和灵敏度温度影响。假如在记录数据的同时，称重传感器的温度也进行了丈量，并且当这个称重传感器被标定时，温度造成的误差已被测定，那么就应该运用计算机程序修正终极数据。贸易称重传感器制造商不为计算机提供用于修正原始不平衡或温度影响的数据，由于他们不想局限市场。贸易称重传感器不安装零点平衡及温度补偿电阻会节省大量资金，尤其是需求量很大时效果更明显。 称重传感器的输出计算
图1 称重传感器电路简图 图1是一个不含温度补偿电阻的称重传感器电路简图。四个电阻应变计呈现在惠斯通电桥的桥臂上。请留意，应变方向相同的两个电阻应变计安装在电桥的相对桥臂上，以保证电桥灵敏度最大。例如，电阻应变计1和3受拉伸应力，2和4受压缩应力，那么这种安装的结果是当称重传感器承载后，增加了电桥从B点到C点的终极电压输出。相反，当称重传感器由于温度影响而改变它的电阻时，由于增加或减少相同的量，电桥的终极输出不会变化。这种电桥的构造由于温度产生单一的最小输出值，而使称重传感器产生最大输出值。如图1所示，电桥输出E 与输进E之比为: 0i 式中:G—应变计系数，由应变计制造商提供f 的非尺寸大小因素。 e—电桥上应变计的全部有效应变产生的总的应变输出。 t
电阻应变片式荷重传感器原理及应用举例精心整理完整呈现含原理图
一、电阻应变片式荷重传感器 1、简介： 荷重传感器是通过检验受力载体所受的载荷来完成对物体受力的测量的传感器装置。荷重传感器能将从载体传来的压力转化成相应的电信号，从而到达测量的目的。 2、荷重传感器的分类 荷重传感器按原理的不同分为：轴销式荷重传感器、压力式荷重传感器、桥式荷重传感器、滑轮式荷重传感器、轴承座式荷重传感器、拉力式荷重传感器等。 荷重传感器按转换工作原理分类为电磁力式、光电式、液压式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类传感器，以电阻应变式使用最广。 3、荷重传感器的技术参数 1、灵敏度：1.5mv/v±0.1[%] 2、非线性与重复性：±0.02~±0.05[%]F·s 3、幡度：±0.05[%]F·S/3min 4、零点平衡：±1[%]F·S
5、零点与额定输出温度系数：±0.03[%]F·S/℃ 6、输入阻抗：700±10Ω 7、输出阻抗：700±10Ω 8、绝缘电阻：≥50MΩ 9、工作电压：DC10V~15V 10、补偿范围：-10℃~+50℃ 11、允许温度范围：-20℃~+50℃ 4、荷重传感器〔电子称〕工作原理和使用知识 在称重传感器主要技术指标的根本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。本文介绍荷重传感器的工作原理和使用本卷须知等知识。 电阻应变式荷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，使粘贴在他外表的电阻应变片〔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。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要局部。下面就这三方面简要论述荷重传感器工作原理。
基于应变片的电子秤实验系统设计
基于应变片的电子秤实验系统设计 【摘要】本文介绍了一款基于应变片的数字显示电子秤实验系统的设计和制作，系统由传感器检测电路、检测信号放大电路、检测信号转换电路和显示电路组成。该设计是为了配合传感器相关教学来进行的，注重系统的模块化和输入输出的相对独立性。文中重点介绍了应变片传感器的制作过程和要点，以及针对应变片传感器的电路调试的步骤和要领。 【关键词】应变片;称重传感器;信号整理;A/D转换 Abstract：A strain-gauge-based electronic scale experimental system is introduced which is composed of sensor detecting circuit，signal amplifying and conditioning，signal converting and MCU with a LCD displaying modules.The aim of this design is to practice the project-oriented teaching section of strain-gauge sensor.The system is set into several modules with I/Os to enhance the practicing and understanding. The steps and key points to work out a weighting sensor with strain-gauges and load cell are emphasized. Keywords：Strain Gauge;Weighting Sensor;Signal Conditioning;A/D Converting 为了配合面向电子信息工程技术专业学生的《传感器技术与测控》课程关于应变片传感器的项目式教学，设计了这个利用基于应变计的称重传感器构成的数字显示电子秤原型系统。 系统按照传感与检测系统的划分方法，分为传感器、传感信号调理、信号采集、信号数据处理及显示几个部分，帮助学生加深对传感器和处理系统的领会和理解。 电路由传感器检测电路、检测信号放大电路、检测信号转换电路和显示电路组成，如图1所示。 图1 系统组成框图 其中，①电阻应变式传感器由4只构成电桥电路的应变计组成的构成称重传感器，完成将压力转换为电压信号;②差动放大电路由较为成熟的由运算放大器构成的测量放大器（也称为仪表放大器）实现;③A/D转换电路简单地由一个8位并行A/D转换芯片来完成，便于调试和掌握该芯片的应用;④单片机实现系统的控制;⑤键盘由4x4矩阵键盘实现，利于学习者掌握键盘扫描的原理和实现;⑥LCD显示由LCD12864模块实现。 1.称重传感器的制作 称重传感器的核心元件是电阻应变式传感器，它是一种利用电阻应变效应，
手提数字显示电子秤设计总体方案设计
手提数字显示电子秤设计 1 总体方案设计 手提电子称实现的原理就是利用电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，拟信号的方式传送到A/D转换器。其次，由A/D转换电路把由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。 电阻应变式传感器是实现测试与自动控制的重要环节，也是智能仪器和仪表的重要组成部分。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 下图是电子称系统总体框图 感应器 放大滤波器电路 A/D转换电路 按键 CPU 介面电路 显示器 重力 2 硬件部分设计
2． 1 电阻应变式称重传感器 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。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测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。 2．1．1 电阻应变片 电阻应变片是把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。它的一个重要参数是灵敏系数K。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = ρL/S（Ω）（2—1） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。 对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S–ΔSρL/S2（2—2） 用式（2--1）去除式（2--2）得到： ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L–ΔS/S（2—3） 另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r（2—4） 从力学知识我们知道： Δr/r = -μΔL/L（2—5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L