传感器技术课程设计应变式测力仪.doc

成绩评估：

传感器技术
课程设计

题 目 应变式测力仪
院 系 电子工程学院
专 业
姓 名
年 级 电
指导教师 蔡苗苗
2023年 11 月
摘要
电阻应变式传感器具有灵敏度和精度高，性能稳定、可靠、尺寸小，重量轻、结构简朴、使用方便、测量速度快等优点，且能在恶劣的环境下工作，在力、压力和重力要测试中有非常广泛的应用。所以电阻应变式力传感器制作的电子称具有准确度高，易于制作，简朴实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特点。
对于电阻应变片式测力传感器（以下简称“测力传感器”）来说，弹性体的结构外形与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性能重要取决于其弹性体的外形及相关尺寸。假如测力传感器的弹性体设计不公道，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达成较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行公道的设计至关重要。

关键词：电阻应变片 测力传感器 精度 灵敏度

目 录
一 、设计目的 4
二、设计任务与规定 4
2.1设计任务 4
2.2设计规定 4
三、设计环节及原理分析 5
3.1设计方法 5
3.2设计环节 6
3.3设计原理分析 7
四、课程设计小结与体会 9
五、参考文献 9

一 、设计目的
1、掌握传感器选择的一般设计方法；
2、了解有关传感器的基础知识；
3、加深对电子电路知识方面知识的理解；
4、可以熟悉传感器的检测以及应用电路；
5、培养综合应用所学知识来指导实践的能力；

二、设计任务与规定
2.1设计任务
1、总体结构设计
2、精度设计
3、传感器设计
4、设计转换电路和调理电路；进行仿真实验。绘制原理图和PCB图
2.2设计规定
1、应用应变片实现的测量；
2、该应变式传感器具有温度补偿作用；
3、给出所选应变片的型号及弹性敏感元件的类型；
4、掌握测试结果数据解决方法、误差分析方法以及精度评估方法。采用异步教学方法组织实践教学，培养学生自主学习能力、动手能力与创新能力。

三、设计环节及原理分析
3.1设计方法
3.1.1总体设计方案

图1 基于电阻应变式测力传感器的电子称系统框图

3.1.2等强度梁的结构设计
等强度梁的结构设计如下图所示，是一种特殊形式的悬臂梁。其特点是：沿梁长度方向的截面按一定规律变化，当集中力作用在梁三角形顶点上时，距作用点任何距离截面上的应力相等，故在对方向上黏贴应变片位置规定不严。

图2 等强度梁

3.2设计环节
3.2.1测量电桥设计
为了消除非线性误差和温度误差对测量结果的影响，设计的测量电阻应变式传感器采用四臂差动式电桥测量电路。距固定端较近的表面顺着梁的长度方向分别贴上、下四个电阻应变计。若承受拉力，则将受到压力，两者应变相等，但极性相反，如下图所示。

图3 差动电桥
3.2.2温度误差及其补偿
（1）温度补偿：由于测量现场环境温度改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生温度误差的重要因素有以下两点。a.电阻温度系数的影响。b.试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。
（2）温度补偿方法：
a.电桥补偿法，也称补偿片发。
b.应变片的自补偿法。
c.热敏电阻补偿法。

图4 热敏电阻补偿

3.3设计原理分析
3.3.1应变式测力传感器
应变式测力传感器是由弹性体、应变片、胶粘剂、防护涂层、补偿线路等部分组成的，其应变传递途径是：弹性体→胶粘剂→应变片敏感栅→覆盖层→防护涂层，构成一个有别于应变片自身的更复杂的系统。若把粘贴于弹性体上的应变片暂称为应变片装置（strain gage installation），其典型结构如图所示。　

图5 典型的应变片装置的剖面图

应变式测力传感器的原理分析以CYL型应变式测力传感器为例。
CYL型应变式测力传感器是运用电阻应变原理构成，粘贴在传感器弹性体上的高档箔式应变片组成全桥电路。当受到载荷作用时，弹性体产生变形，应变片也相应感受应变，从而使电桥失去平衡，并输出与作用力大小成正比的电信号。
为了减少温度对传感器性能的影响，在电桥线路中增长了温度零漂补偿电阻T，温度灵敏度补偿电阻E和平衡电阻D，下图为CYL型应变式测力传感器电路系统原理图:

图6 CYL型应变式测力传感器电路系统原理图

3.3.2原理分析
应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片等组成的测力仪叫做应变式测力仪。其工作原理是把电阻应变片贴在弹性元件表面，当弹性元件受到力的作用产生变形时，电阻应变片随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化，可用下式表达，即：

式中，K0为材料的应变系数；ε为应变片的应变值。
由上式可知，当K0为定值时，只要测得电阻应变片的的电阻变化△R/R，即可得知试件表面应变的大小，然后根据σ=Eε求得应变力的大小。在应变式测力仪中，经常是将四个应变片成对的横向或纵向粘贴在弹性元件上，这样应变片就可以感受到弹性元件上的压缩和拉伸变形，将四个应变片接成某种形式的电桥电路，这样就可以从电桥的输出中得到应变量的大小，从而根据应变量ε与外力的关系得出作用在弹性元件上的作用力大小。

3.3.3应变式测力仪的测量原理
敏感元件感受被测量的变化，在由于转换元件转换成易于测量的信号，由输出电路输出。

图7 测力仪测量原理图

3.3.4电阻式称重测量图

图8 运算放大及V/F电路

四、课程设计小结与体会
4.4.1小结
本论文应用了应变片的工作原理设计了一种测量力的传感器。在传感器的设计过程中，遵照了改善应变力不规则分布的应力集中原则，对弹性元件进行了设计，可以收到提高测力传感器的测力精度和测力灵敏度的良好效果。在电路设计上本设计使用了全桥电路不仅提高可测力传感器的灵敏度并且很好地解决了温度补偿的问题和传感器的非线性问题。
本文只对传感器的结构进行了初步的分析，有些问题尚有待于进一步的分析。随着科技的进步，传感器的发展将是日新月异的、突飞猛进的。其发展也是将各个学科之间互相交叉、互相渗透和相辅成的。
4.4.2体会
为期一个星期的课程设计将结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深，使我对抽象的理论有了具体的结识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的辨认和测试；熟悉了常用仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法以及如何提高电路性能等等。
通过一周的努力，我们的课程设计即将结束，这意味着这一阶段艰苦的热烈的付出即将告一段落。在整个课程设计中，我在学习上和思想上都受益匪浅，这除了自身的努力外，与指导老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的，让我获得了许多的经验与知识。

参考文献
[1]郁有文.常键.传感器原理及工程应用.西安电子科学技术大学出版社.2023
[2]严普强.黄长艺.机械工程测试技术基础.机械工业出版社.2023.
[3] 王雪文.张志勇.传感器原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2023.