电阻应变式荷重传感器

1、组员：李振宁 邓奋飞 卢翔 潘恒康 邓海华 梁炳锐 吕裕升电阻应变式荷重传感器 在现代地磅重方面，传感器是其核心部件，传感器的种类有很多种，对于地磅方面，用的最多的是电阻应变式称重传感器，现在我们就来讲一讲这种传感器： 称重传感器中最多的是电阻应变式称重，应变片是称重传感器的核心单元，弹性体是基础组成部分。称重传感器按结构类型分主要有S行双连孔式传感器，柱式传感器，轮辐式与桥式传感，柱环式传感器，剪切梁式传感器和单S梁式传感器。工作原理： 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

2、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。下面就这三方面简要论述。一、电阻应变片应变式传感器也称应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应,将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。现已广泛应用于工程测量和科学实验中。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻的电阻应变效应。 r r F L L 图1.9 金 属 电 阻 应 变 效 应 设有一根长度为L的，截面积为S，电阻

3、率为的金属丝，在未受力时，原始电阻为：R=,当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长L，横截面积相应减小S，电阻值R的变化引起电阻的相对变化为：由材料力学知：其中：-沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关； E-弹性模量； -材料所受应力。忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下： ELL 可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。 应变式传感器类型有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。 特点： 可测微应变1-2m，且精度高、性能稳定； 尺寸小、重量轻、结构简单，响应快； 测量范围大； 环境要求不高； 便于多点测量。 电阻应变片组成图 应变式

4、传感器实物图二、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。 = （3Q（1+）/

5、2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） 其中：Q-截面上的剪力；E-扬氏模量：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。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 题目 电阻应变式荷重传

6、感器（地磅）需要对较大的质量进行测量，通常采用如图2所示的实心圆柱和粘贴在圆柱上的电阻应变片构成。若需要充分考虑传感器的温度误差、线性度、灵敏度等因素，请回答：应在圆柱上粘贴多少片应变片？请在图上画出应变片的粘贴方式；该传感器应采用何种测量电路？请画出测量电路原理图。图2 柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种。应变片粘贴在弹性体外壁应力均匀的中间部分，并均匀对称地粘贴多片。因为弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性有影响。所以对实心圆柱，一般取H2D+L，而空心圆柱一般取HD-d+L 。 式中H为圆柱体高度，D为圆柱外径，d为空心圆柱内径，L为应变片基长。根据材料力学和惠斯顿电桥原理（均为全

7、桥工作方式）。柱式弹性元件的参数可用下式计算：式中S 传感器的灵敏度（mV/V），静态使用时可取 11.5 mV/V 那；如进行灵敏度补尝及线性补偿等，上列值应再乘以 1.21.25 倍；料的泊松比； F传感器的额定负荷； K应变计的灵敏系数； E材料的弹性模量； A弹性元件贴片部位的截面积：圆筒式： 圆柱式：31021AEKFS 选择 D 与 d 时，要考虑到构件的稳定性及加工条件，圆筒式的壁不能太薄。两端的刚度要足够。当安装、紧固传感器时，不应使中段产生腰鼓变形。过渡部分的圆弧半径不可太小，以避免造成应力集中而影响疲劳寿命。为使贴片部位应力分布均匀，长度L不可太短，圆柱式一般取 L = (

8、 22.5 ) D ，圆筒式可适当短一些。 弹性元件中段的应力为： =F/A 材料选定后，应检查是否满足。为许用应力，一般取： =（1/31/4）s（N/mm2） 式中，s材料的屈服点（N/mm2） 柱式力传感器的结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。在测量较大的质量时，通常采用实心圆柱式结构。 下图为圆柱面展开及电桥 a)圆柱面展开图 b)电桥连接示意图电桥电路原理： 应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化R/R,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。 由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变化范围也很小，直接测量出这一微小变化比较困难，所以一般

9、利用桥式测量电路来精确测量出这些小的电阻变化。电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压V0为零的条件是：R1R3=R2R4。 当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即R1R3R2R4时，电桥输出： 恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。URRRRRRRRU)(432142310 单臂电桥时，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4为定值电阻，在

10、应变片R1工作时，其电阻R1变化R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/4 电压输出为:UO=(U/4)(R1/R1)非线性误差 电桥电路的非线性误差为：L=R1/2R 上面各式表明，当电源电压U及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻的大小无关。 直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，测量中常用直流电桥。 为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：采用差动电桥；采用恒流源电桥。 为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为： UO=UR/R 所以，本题所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。 此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV