电阻应变式称重传感器设计.pdf

LX.刖 B传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可川信号（通常为电信号）的器 件或装置，传感器是发展仪器仪表、自动控制和广泛应川计算机的前提条件。传感器原 理与取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取用。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川与设计有感性认识，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）在外力作川下产生弹性变形，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川最广泛的传感器之一，已广泛地应川于航空、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。目录第1章 电阻应变式称重传感器的原理.11.1 称重传感器的组成部分.31.2工作原理.3第2章电阻应变片的设计.42.1应变片的工作原理.52.2 应变片的结构选择.52.2.1电阻丝应变片.52.2.2箔式应变片.62.2.3半导体应变片.62.3 应变片的材料选择.72.3.1电阻敏感栅材料选择.72.3.2基底、引出线材料选择.82.4应变片的参数.92.4.1应变片基长.92.4.2应变片的电阻值.92.4.3应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限.10第3章传感器弹性元件的设计.113.1弹性元件的选择.113.2双孔梁受力分析.123.3弹性元件材料选择.153.4双孔梁的尺寸选择.16第4章变换检测电路设计.174.1桥路的设计.174.2放大电路的设计.184.3检波、滤波电路的设计.194.4其他电路的设计与选择.20第5章传感器的工艺设计.205.1应变片的粘贴工艺.215.2传感器的封装.215.3传感器装配.22第6章误差源分析以及处理.22第7章小结.24参 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，它的作川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 川是将力转换为形变;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=小-居&）4/（居+&）（4+凡）式中 居、此凡为应变片电阻；4为传感器的输入信号；u.为传感器的输出信号。当&%=%&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。0二OmVo物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作川于称重传感器，称重传感器的弹性体在外力作 川下产生弹性变形，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 为电佶号（电压或电流）输出，从而完成将外力变换为电佶号的过程。设二尺2=4二氏4=氏当受到重力作川后，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 A2?,即：与、&分别减小A7?,4、%分别增大反时可以推出传感器的输出电压为：UARUJR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，对于长度为入、截面积为A、电阻率为夕的金属丝，其电阻R=pL/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=(1+2)/+dp I p则金属丝灵敏系数 dR/R dpi pKs=-=(l+2)+故有9IR=kq另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片AR/R=Kex其中Ky(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3图2电阻丝应变片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：何线式应 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。2.2.2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）粘合而积大；（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所示图4半导体应变片结构图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川，面胶起着保护敏感栅的作川，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川。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1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川，因此它的材料选择要求如下：(1)有较高的灵敏系数，并且在较大的应川范围内保持不变；(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 川的电阻合金大致有以下几种：康铜、银铭合金、铁铭铝合金、铁银铭合金、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：合金成分/%：Cu55,Ni45 灵敏系数Ks：1.92.1电阻率：0.450.54 电阻温度系数：20*10一6线膨胀系数：15*10飞 对铜热电势/uV/:43最高使用温度/：静态:250 动态:400选康铜作敏感材料的理由如下：首先这种材料最为常川，电阻温度系数小且稳定，同 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K=2,且 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。通常选川基底薄、基底材料的弹性模量较高的应变片取基底厚度为0.030.05mm。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，可以川锡焊、电弧焊、电接触焊等。我选川了康铜材料的敏 感栅，且其使川条件无特殊要求，故采用银铜作引出线。2.4应变片的参数2.4.1应变片基长sin9/风为了使测量误差减小，将 4 4展开为级数，并略去高阶小量后，可得1丸e=-粘贴在一定材料试件（u为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长和频率/的增加而增大。因而在设计、应川应变片时，就可按上式给定的e、,。、/三者的关 系，根据给定的精度ML来确定合理的“。或工作频率/max,即 Lax=5 而/max 10一6(1500 义 106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：R1=R2 R3=R4当应变片感受到应变时电桥输出电压U=ULR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12所示，桥路输出为:=4K（i邑一4+4）/4=4长（1）句=（尸乙+）/石卬/=（尸乙+“）/石卬=-PL2+M）l EW 4=（尸 4+M）/W带入（1）式得：U0=UiKPL/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。采川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审 联结构放大电路，如图13为获得零共模增益，图13同相审联结构放大电路应使/R2=R3/R4电路的差动闭环增益为：Kd=1+R3/R4确定了 P=50N K=2.2 L=80mm E=0.71Gpa W=bh2/6=66 代入公式Uo=UjKPL/2EW得：=77.54义10一5故当输入 Umax=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max=12V 则此放大电路的增益长汗=2x103/8.54=234由于Kd=l+&/%放大部分的增益设为U7则&/%二116 取&二 1。7?4=11.6kQ 那么对应的二H.6kQ 7?2=100Q4.3 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，我采川能克服 上述缺点的相敏检波器，它可以有双向信号输出，能反映出成变的拉或者压。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：R=2&=26=240Q 凡=%=尺2=120Q C=lf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。一般川电容，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 的匹配。由于它要滤去高频波中频率最高分量，即是载波频率外，而一般被测应变信号频 率比外小很多，故滤波电路的截止频率只要在（0.30.4）,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15图15压控电压源型二阶低通滤波电路其放大增益K/=2而载波信号频率定为200Hz则此滤波器的截止频率为6080Hz 我选择设计截止频率为80Hz的低通滤波电路，其参数如下:y i-=5O3rad/s/RR2cle2则=%=2.4k0 ri=R2=r=20QG=0=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CD45n 如图16(a)AL A2 CT BI LE A3 A4 GND(b)图16显示结构部件第5章传感器的工艺设计5.1应变片的粘贴工艺在处理好底层的弹性元件上，划好贴片的定位线，经清洗和干燥后，在贴片处均匀地 涂一层贴片胶，适当时间后按给定的方位将应变计准确地放在粘贴部位上，而后在应变计 上盖上一层氟塑料薄膜并川手指或小工具朝一个方向碾压，挤出气泡和过量的粘接剂，保 证胶层薄而均匀。然后在上面放一块硅橡胶并用夹具夹紧放入干燥箱进行固化处理。贴片时胶层的厚度必须严加控制，片基和粘接剂胶层厚度对于减少蠕变有非常重要的 影响，并也使粘结强度增高，更能准确地传递试件的应变。在实际工艺过程中胶层的厚度 还受到其它因素的限制，例如绝缘电阻，因而也下能无限制地薄，否则将降低其绝缘电阻 造成传感器性能不稳定。贴片之后成进行初步检查，检查基底，盖底有无损坏，敏感栅是否变形，贴片方位是 否正确，有无断路、短路，有无气泡，有无局部未贴牢，贴片后电阻值变化不能太大（一 般变化不大于0.5Q）等。粘贴后的结构如图17图17应变片的粘贴位置5.2传感器的封装传感器封装是为了保护电阻应变敏感元件和弹性元件不受周围化学活性介质的影响，同时固定引线等。对于易受湿度影响的传感器，我们采川密封装置，这样才可以保证该传 感器在灰尘、腐蚀气体等环境下长期使川时的精度。具体密封方法是：采用柔软、弹性模量不变的橡胶波纹膜或金属波纹膜将应变敏感元 件及弹性元件与外界隔离；采用材料与弹性元件具有相同线膨胀系数或采用相同材料作为 外壳，通过电子束焊或激光焊将弹性元件上的膜片焊接在外壳上，并在其中冲入惰性气体，在此过程中一定得注意焊接必须可靠，否则会由于密封失灵和膜片支承变化造成传感器灵 敏度的变化。同时，接线插座或电缆线需要密封，方法是采川绝缘材料将接线插座或电缆 铸在里面，一端与应变敏感元件的引出线焊接，另一端接插头或焊接测量导线。5.3传感器装配装配如附件三 尺寸已经标注到装配图纸上。第6章误差源分析以及处理称重传感器在无外载荷作川时的输出称为零点输出零点输出受环境温度的影响随环境温度的 变化而变化,这称之为零点温度漂移引起称重传感器零点温度漂移的因素，产生此温度漂移的原因:弹性元件电阻应变计应变粘结剂的单线膨胀系数不同弹性元件的纵向和横向膨胀率不同 电阻应变计基底和应变粘结剂底膜的厚度不同在环境温度发生变化时都会产生不同程度的热胀冷 缩使电阻应变计敏感栅仁，长或缩短引起电阻值变化(2)电阻应变计敏感栅材料的电阻温度系数不为零各电阻应变计之间又有一定的分散度而且 敏感栅材料的电阻率也随环境温度而变化这都会弓I起电阻的改变(3)由于各电阻应变计的弓I出线及连接导线的长度不同温度变化可弓I起电桥导线的电阻变化(4)不同材料如康铜银等焊点之间存在着较小的热电势也可以弓I起电阻变化(5)弹性元件与外壳的温度系数不同弹性元件曲率的影响大气压波动等影响。虽然比上述各 项影响小但也会使电阻值稍有变化。对于这些误差，在桥路设计以及后续电路设计中已经采取相应措施。另外，影响称重传感器稳定性的因素主要有：(1)称重传感器的结构称重传感器的弹性元件、外壳、膜片及上压头、下压垫的设计，都必须保证受载后在 结构上不产生性能波动，或性能波动很小。为此在称重传感器设计时，应尽量作到应变区 受力单一，应力均匀一致；贴片部位最好为平面；在结构上保证具有一定的抗偏心载荷和 侧向载荷的能力；安装力远离应变区，测量时应避免载荷支承点的位移。尽管称重传感器 属于装配制造产品，但为了保证具有最隹技术性能和长期稳定性，尽可能将它设计成一个 整体结构。(2)机械加工与热处理工艺弹性元件在机械加工过程中，由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力，切削川量 越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力最大。因此应制订合理的加工工艺和规 定适当的切削用量。弹性元件在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和金属材料相变等原 因，在芯部和表层产生方向不同的残余应力，其芯部为拉应力，表层为压应力。必须通过 回火处理工艺，在其内部产生方向相反的应力，与残余应力相互抵消，减少残余应力的影 响。(3)电阻应变计与应变粘结剂电阻应变计应具有最隹性能，要求灵敏系数稳定性好，热输出小，机械滞后和蠕变小,应变量为1500义10飞时疲劳寿命可达108,电阻值偏差小，批次质量均一性好等。应变粘结剂应具有粘结强度大，抗剪强度高；弹性模量较大且稳定；电绝缘性能好；具有与弹性元件相同或相近的热膨胀系数；蠕变和滞后小；固化时胶层体积收缩小等。粘 贴电阻应变计时一定要严格控制胶层厚度，因为粘结强度随胶层厚度的增加而降低。这是 由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面上的内应力很小，产 生气泡和缺陷的几率也比较小，应变传递性能好，只要防护密封合理就可达到较高的稳定 性水平。(4)制造工艺流程应变式称重传感器的工作原理和总体结构决定了，在生产工艺流程中有些工序必须手 工操作，人为的因素对称重传感器的质量影响较大因此必须制订科学合理并可重复的制 造工艺流程，并在其中增加电子计算机控制的自动化或半自动化工序，尽量减少人为因素 对产品质量的影响。(5)电路补偿与调整成变式称重传感器属于装配制造，贴片组桥后就形成了产品，由于内部不可避免的产 生一些缺陷和外界环境条件的影响，称重传感器的某些性能指标达不到设计要求，因此必 须进行各项电路补偿与调整，提高称重传感器本身的稳定性和对外部环境条件的稳定性。完善而精细的电路补偿工艺，是提高称重传感器稳定性的重要环节。(7)防护与密封防护与密封是称重传感器制造工艺流程中的要害工序，是称重传感器耐受客观环境和 感应环境影响而能稳定可靠工作的根本保障。如果防护密封不良，粘贴在弹性元件上的电 阻应变计及应变粘结剂胶层，都会吸收空气中的水分而产生增塑，造成粘结强度和刚度下 降，引起零点漂移和输出无规律变化，直至称重传感器失效。因此有效的防护密封是称重 传感器长期稳定工作的根本保证，否则将使各项工艺成果前功尽弃。(8)稳定性处理提高称重传感器的稳定性除处理好上述各种因素的影响外，最重要的途径就是采取各 种技术措施和工艺手段，模拟使用条件进行有效的人工老炼试验，尽量多的释放残余应力 使其性能波动减至最小。第7章小结本次课程设计是一个将所学理论应川于实际的过程，也是一个不断探索、不断尝试、不断学习的过程，这中间遇到了各种各样的困难，通过小组成员的共同讨论、研究以及查 找相关资料，最终都得到一一解决，我也从中学到了不少知识。理论与实践是密切相关的,感谢教员给了我动手、动脑的机会，给了我们合作的机会，使我们体会到团体做事的效率 及合作的精神。从称重传感器的应变片、弹性体、检测电路三个主要部分出发，我分别设计。每一部 分都要我查阅许多资料，以及进行很多计算。应变片设计中，在应变片的类型、材料选择 以及参数计算方面，我都做了详细的分析与设计；弹性体的设计中，在弹性元件的结构设 计，极限应变以及尺寸确定方面，我也通过查阅有关资料以及与同学讨论，终于合理的设 计出符合要求的弹性元件结构；检测电路设计，在桥路设计、放大电路设计、检波电路选 择以及滤波电路的设计方面，我都做了详细的分析与参数确定。在此次称重传感器设计的过程中，我觉得自己对课本上的理论知识的理解加深很多，并且学到了许多教学课本上没提到过的内容，比如影响称重传感器稳定性的因素等。不仅 如此，我还对关于精度要求的问题有了比较全面的认识，精度对于此种传感器无疑至关重 要，所以在设计此称重传感器的过程中，我时刻都在考虑着我所设计的是否能够尽量减少 其误差，以提高传感器的测量精度。比如在桥路设计时，为减少温度误差，我选择设计全 桥式差动桥路电路；在放大电路以及检波电路设计时，我分别采川同相审联双运放高共模 抑制比放大电路，和整流型相敏检波电路，以减少共模信号及其他干扰信号，以减少干扰 误差，提高测量精度。参考文献：1李科杰.新编传感器技术手册.北京：国防工业出版社,20022陶宝祺.电阻应变式传感器.北京：国防工业出版社，19933单辉祖.材料力学第2版.北京:高等教育出版社,20054张国维.测控电路.北京:机械工业出版社,20075刘迎春、叶湘滨.传感器原理与应用.长沙：国防科技大学出版社,20066单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.北京:国防工业出版社,1999