電阻應(yīng)變式荷重傳感器

1、組員：李振寧 鄧奮飛 盧翔 潘恒康 鄧海華 梁炳銳 呂裕升電阻應(yīng)變式荷重傳感器 在現(xiàn)代地磅重方面，傳感器是其核心部件，傳感器的種類有很多種，對(duì)于地磅方面，用的最多的是電阻應(yīng)變式稱重傳感器，現(xiàn)在我們就來講一講這種傳感器： 稱重傳感器中最多的是電阻應(yīng)變式稱重，應(yīng)變片是稱重傳感器的核心單元，彈性體是基礎(chǔ)組成部分。稱重傳感器按結(jié)構(gòu)類型分主要有S行雙連孔式傳感器，柱式傳感器，輪輻式與橋式傳感，柱環(huán)式傳感器，剪切梁式傳感器和單S梁式傳感器。工作原理： 電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片

2、變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。 由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述。一、電阻應(yīng)變片應(yīng)變式傳感器也稱應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng),將測(cè)量物體的變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬電阻的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 r r F L L 圖1.9 金 屬 電 阻 應(yīng) 變 效 應(yīng) 設(shè)有一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)的，截面積為S，電阻

3、率為的金屬絲，在未受力時(shí)，原始電阻為：R=,當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)L，橫截面積相應(yīng)減小S，電阻值R的變化引起電阻的相對(duì)變化為：由材料力學(xué)知：其中：-沿某徑向的壓阻系數(shù)，與材料及徑向有關(guān)； E-彈性模量； -材料所受應(yīng)力。忽略壓阻效應(yīng)，并根據(jù)有關(guān)的力學(xué)應(yīng)變關(guān)系可得到公式如下： ELL 可見在金屬電阻絲的拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。 應(yīng)變式傳感器類型有：金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，金屬薄膜應(yīng)變片三種。 特點(diǎn)： 可測(cè)微應(yīng)變1-2m，且精度高、性能穩(wěn)定； 尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快； 測(cè)量范圍大； 環(huán)境要求不高； 便于多點(diǎn)測(cè)量。 電阻應(yīng)變片組成圖 應(yīng)變式

4、傳感器實(shí)物圖二、彈性體彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應(yīng)力分布。設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁。肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 = （3Q（1+）/

5、2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） 其中：Q-截面上的剪力；E-揚(yáng)氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。三、檢測(cè)電路 檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。 因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。 題目 電阻應(yīng)變式荷重傳

6、感器（地磅）需要對(duì)較大的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，通常采用如圖2所示的實(shí)心圓柱和粘貼在圓柱上的電阻應(yīng)變片構(gòu)成。若需要充分考慮傳感器的溫度誤差、線性度、靈敏度等因素，請(qǐng)回答：應(yīng)在圓柱上粘貼多少片應(yīng)變片？請(qǐng)?jiān)趫D上畫出應(yīng)變片的粘貼方式；該傳感器應(yīng)采用何種測(cè)量電路？請(qǐng)畫出測(cè)量電路原理圖。圖2 柱式傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力均勻的中間部分，并均勻?qū)ΨQ地粘貼多片。因?yàn)閺椥栽母叨葘?duì)傳感器的精度和動(dòng)態(tài)特性有影響。所以對(duì)實(shí)心圓柱，一般取H2D+L，而空心圓柱一般取HD-d+L 。 式中H為圓柱體高度，D為圓柱外徑，d為空心圓柱內(nèi)徑，L為應(yīng)變片基長(zhǎng)。根據(jù)材料力學(xué)和惠斯頓電橋原理（均為全

7、橋工作方式）。柱式彈性元件的參數(shù)可用下式計(jì)算：式中S 傳感器的靈敏度（mV/V），靜態(tài)使用時(shí)可取 11.5 mV/V 那；如進(jìn)行靈敏度補(bǔ)嘗及線性補(bǔ)償?shù)?，上列值?yīng)再乘以 1.21.25 倍；料的泊松比； F傳感器的額定負(fù)荷； K應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)； E材料的彈性模量； A彈性元件貼片部位的截面積：圓筒式： 圓柱式：31021AEKFS 選擇 D 與 d 時(shí)，要考慮到構(gòu)件的穩(wěn)定性及加工條件，圓筒式的壁不能太薄。兩端的剛度要足夠。當(dāng)安裝、緊固傳感器時(shí)，不應(yīng)使中段產(chǎn)生腰鼓變形。過渡部分的圓弧半徑不可太小，以避免造成應(yīng)力集中而影響疲勞壽命。為使貼片部位應(yīng)力分布均勻，長(zhǎng)度L不可太短，圓柱式一般取 L = (

8、 22.5 ) D ，圓筒式可適當(dāng)短一些。 彈性元件中段的應(yīng)力為： =F/A 材料選定后，應(yīng)檢查是否滿足。為許用應(yīng)力，一般?。?=（1/31/4）s（N/mm2） 式中，s材料的屈服點(diǎn)（N/mm2） 柱式力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以測(cè)量大的拉壓力，最大可達(dá)107N。在測(cè)量較大的質(zhì)量時(shí)，通常采用實(shí)心圓柱式結(jié)構(gòu)。 下圖為圓柱面展開及電橋 a)圓柱面展開圖 b)電橋連接示意圖電橋電路原理： 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)化成電阻的相對(duì)變化R/R,還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量。 由于機(jī)械應(yīng)變一般均很小，從而電阻應(yīng)變式的電阻變化范圍也很小，直接測(cè)量出這一微小變化比較困難，所以一般

9、利用橋式測(cè)量電路來精確測(cè)量出這些小的電阻變化。電橋電路的原理是：如下圖的四臂電橋所示，因?yàn)閼?yīng)變片電阻值變化很小，可以認(rèn)為電源供電電流為常數(shù)，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零。當(dāng)電橋平衡時(shí)，即電橋輸出電壓V0為零的條件是：R1R3=R2R4。 當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開路。若電橋不平衡時(shí)，即R1R3R2R4時(shí)，電橋輸出： 恰好選擇各橋臂電阻，可消除電橋的恒定輸出，使輸出電壓只與應(yīng)變片輸出有關(guān)。URRRRRRRRU)(432142310 單臂電橋時(shí)，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4為定值電阻，在

10、應(yīng)變片R1工作時(shí)，其電阻R1變化R,此時(shí)電橋的靈敏度為：ku=U/4 電壓輸出為:UO=(U/4)(R1/R1)非線性誤差 電橋電路的非線性誤差為：L=R1/2R 上面各式表明，當(dāng)電源電壓U及電阻相對(duì)值一定時(shí)，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻的大小無關(guān)。 直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡(jiǎn)單，傳感器及測(cè)量電路分布參數(shù)影響小，測(cè)量中常用直流電橋。 為減少非線性誤差，電橋電路常用的措施為：采用差動(dòng)電橋；采用恒流源電橋。 為了提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在橋臂中往往安置兩個(gè)應(yīng)變片，電橋也可采用四臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓為： UO=UR/R 所以，本題所選用的是全橋形式的差動(dòng)電橋，且為提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，每個(gè)橋臂都安置兩個(gè)應(yīng)變片。 此外，由于在零壓力時(shí)，傳感器大約有2mV