五孔平行梁电阻应变式称重传感器设计-(修订版)

武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书2目录第1章电阻应变式称重传感器的原理 21.1称重传感器的组成部分 21.2工作原理 2第2章传感器弹性元件的设计 32.1弹性元件——五孔平行梁的特点 32.2五孔梁受力分析 42.3弹性元件材料选择 52.4五孔梁的尺寸选择 6第3章电阻应变片的选择 73.1应变片的工作原理 73.2应变片的结构选择 73.2.1电阻丝应变片 73.2.2箔式应变片 83.2.3半导体应变片 83.3应变片的材料选择 93.3.1电阻敏感栅材料选择 93.3.2基底、引出线材料选择 103.4应变片的参数 113.4.1应变片基长 113.4.2应变片的电阻值 113.4.3应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限 12第4章变换检测电路设计 124.1桥路的设计 124.1.1电路选择 134.1.2桥路电压源的设计 134.2放大电路的设计 154.3滤波电路设计 16第5章传感器的工艺设计 175.1应变片的粘贴工艺 175.2传感器的封装 185.3传感器装配 18第6章误差源分析以及处理 18第7章小结 20参考文献： 21五孔平行梁传感器设计第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。1.1称重传感器的组成部分称重传感器主要由弹性体、电阻应变片、检测电路三部分组成。应变片是一种传感元件,它的作用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,它的主要作用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是四臂差动电桥,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:式中、、、为应变片电阻;为传感器的输入信号;为传感器的输出信号。图1基本电路图当时图1基本电路图我们称之为电桥平衡,这时称重传感器的输出电压=0mV。物料重量通过电子衡器的托盘或料斗作用于称重传感器,称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形,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信号(电压或电流)输出,从而完成将外力变换为电信号的过程。设====当受到重力作用后,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,即:、分别减小,、分别增大时可以推出传感器的输出电压为:第2章传感器弹性元件的设计2.1弹性元件——五孔平行梁的特点图2五孔梁结构图电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式柱式、筒式和环式、弯曲式梁式和剪切式三大类。为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度,将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，五孔梁就是其中有代表性的一种。在悬臂梁中，又分为双孔平行梁、双连控平行梁、五孔平行梁、单空平行梁的结构图2五孔梁结构图应变片×4五孔梁的结构如图2所示,在板状梁上有五个孔,在梁的端部有集中力作用时,孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的外壁,应变片处于相反的应力区内,当和的变形为拉伸时,和为压缩变形,四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。应变片的粘贴方式如右图图2所示。另外，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好,滞后小。根据应力分布图可以看出,受力点位置变化时,左边孔的弯矩增加，右边孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。应变片×4在称重和测力领域,经常采用拉压式和弯曲式应变传感器,该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平,但由于拉压式称重测力传感器的高度直接影响精度和横向稳定性,而且力点移动对输出信号有影响,拉压对称性差,尤其是当安装条件和标准条件不一致时,引起的误差更难估计。而五孔梁称重测力传感器有零弯矩区,高度小,对加载方式和受力点移动不敏感,且抗偏心、抗侧向力,所以我选用的称重传感器内部采用五孔梁作为弹性元件。而近年来发展起来的梁式剪切称重测力传感器虽然消除了受力点变化对输出的影响,性能优良,但弹性体结构复杂,贴片也较困难,故本设计没有采用。2.2五孔梁受力分析力P作用在理想位置O处如图3所示 图3图3五孔平行梁受力分析baa在图8所示的结构中，可以把弹性体看作是上、下对称的平行梁式结构。在上下面最薄处贴应变片。通过将梁分为上下两个面，来分析受力。应力：应变：W为抗弯截面模量：W根据上面公式，梁上各应变片粘贴处应变为采用差动电桥输出时灵敏度：可见这种传感器最大的特点是载荷的安防位置不会影响传感器输出信号。2.3弹性元件材料选择在任何情况下，弹性敏感元件应该保证具有好的弹性特性、足够的精度和稳定性，在长期使用中和温度变化时，都应保持稳定的特性，因而对材料的基本要求有以下几个方面：（1）弹性滞后和弹性后效要小；（2）弹性模量的温度系数要小；（3）线膨胀系数要小并且要稳定；（4）有良好的机械加工和热处理性能；（5）弹性极限和强度极限要高。弹性元件常用几种材料的机械、物理性能如表2--1所示表2--1几种常用材料的机械、物理性能名称结构钢铝合金牌号弹性模量109N/mm22082101987171抗拉强度106N/m2132016001100580490屈服强度106N/m212601375850500360线膨胀系数α10-6/℃11．412.6811.023．122．7弹性模量的温度系数（10-4/℃）—2．0-2.5－3．0-5.3—6．9材料密度ρ7．807.797．852.32．78比较这几种材料我发现结构钢中则是多用于制造小尺寸的弹性元件，其淬火时的淬透性差，而与在很多方面性能均相似，但是测力传感器弹性元件最常用的材料.和都属于硬铝合金，它们均适合制造小量程测力传感器及动态传感器的弹性元件。因而我最终选用LC4材料作为弹性元件的材料。2.4五孔梁的尺寸选择从课程设计的参考资料可设置五孔梁长A=150mm宽B=29mm高H=40mmL1=60mmL=30mm。设贴应变片处的梁孔的截面的高度为h。则W=(b〖2h〗^2)/6而LC4铝合金E=71Gpa由于此传感器的量程为0-2000N，从课程设计给出的要求中，我们只需要确定在梁的最薄处的h，通过h我参数来实现我们传感器的要求，量程以及分辨率等等参数。其中我们假定L3=50mm，则力矩M=PL3那么为了达到我们的强度指标，在满量程的130%情况下还能够承受，可列出方程：δ=(PL1+PL3)×130%/（(b〖2h〗得:h>4.6mmδ=(PL1+PL3)×130%/（(b〖2h〗^得:h>4.8mm通过上面的分析，我们取h=5mm当超过量程的130%后我们的梁还能够不损坏，说明我们的参数满足设计要求。那么五孔悬臂梁的设计参数如下表：LL1L2L3aha30mm60mm30mm50mm29mm5mm150mm第3章电阻应变片的选择3.1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、截面积为、电阻率为的金属丝，其电阻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则金属丝灵敏系数故有3.2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。3.2.1电阻丝应变片丝式结构应变片的结构图如图2所示图4电阻丝应变片1—基底2—敏感栅3—覆盖层4—引线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：回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。3.2.2箔式应变片此箔式应变片的结构图如图3所示图5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。缺点：工艺制作有些复杂。3.2.3半导体应变片此半导体应变片结构如图4所示图6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7箔式应变片结构图3.3应变片的材料选择图8所选应变片结构图1—覆盖层2—基底3—引线4图8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3.3.1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用，因此它的材料选择要求如下：（1）有较高的灵敏系数，并且在较大的应用范围内保持不变；（2）有高的和稳定的电阻率；（3）电阻温度系数小，电阻—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，常用的电阻合金大致有以下几种：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、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：1.9~2.1电阻率：0.45~0.54电阻温度系数:±20*10-6线膨胀系数:15*10-6对铜热电势/μV/℃: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用,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。3.3.2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。通常选用基底薄、基底材料的弹性模量较高的应变片，取基底厚度为0.03～0.05mm。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，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。我选用了康铜材料的敏感栅，且其使用条件无特殊要求，故采用银铜作引出线。3.4应变片的参数3.4.1应变片基长我们可以设突变的频率为w则应变波方程为应变平均值误差为其中为了使测量误差减小，将e展开为级数，并略去高阶小量后，可得粘贴在一定材料试件（为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长L0和频率的增加而增大。因而在设计、应用应变片时，就可按上式给定的、L0、三者的关系，根据给定的精度，来确定合理的L0或工作频率，即其基长应尽量选取短的，这样可以更真实地测出被测部位的应变值，以提高测量精度。对于钢材，，若令精度，最高工作频率代入上式可得故我取应变片栅长3.4.2应变片的电阻值应变片的电阻值是指未安装的应变片，在不同的外力作用下，在室温条件下测定的电阻值，也称为原始电阻值，单位为。应变片电阻值国内标准有：60、120、350、600和1000等各种阻值，目前传感器生产中大多数选用120Ω或350Ω的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器长期使用的稳定性。因此，在考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。我选用阻值为350Ω的应变片。3.4.3应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限绝缘电阻是指敏感栅与基底之间的电阻值，绝缘电阻的降低将导致测量灵敏度的下降，并带来测量误差，产生零点漂移等。因而要尽量选用基底绝缘性能好的应变计和粘结剂以提高绝缘电阻。绝缘电阻值一般大于。允许电流是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。它与应变本身、试件、粘结剂和环境等有关。要根据应变片的阻值和应用的电路等情况来计算。为了保证测量精度在静态时允许电流一般为25mA，在动态测量时允许电流可达75～100mA，箔式应变片允许电流较大。应变极限对于已安装好的应变计，在一定温度下，指示应变与被测试件真实应变的相对误差不超过一定值（一般为10%)时，所能测量的最大真实应变值称为应变极限。我们要求应变片的应变极限至少要大于1000×10-6。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，造成的主要有两个因素是：（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”。4.1.1电路选择因此，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9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由3.2节知：如果把应变片组成全桥式等臂电桥电路，如图12所示，桥路输出为：(1)带入(1)式得:其中：为电阻应变片的灵敏系数；为力P作用下贴片处的应变量。采用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4.1.2桥路电压源的设计考虑到桥路工作时产生温度。供桥电压的选择应考虑①应变片的面积；②应变片的电阻；③传感器的散热能力；④环境温度；⑤应变片的类型；⑥传感器（测试对象）的材料等。Rg：应变片电阻；Fg：敏感栅面积；PG：敏感栅上的功率密度，可取PG=（1.6~3.1）×10-3W/mm2PG=2.0*10^-3w/m2Fg=4.8*10^-6m2R=350122为了满足电桥在工作时候的温度要求，我们电压不能大于3.3v。也就是我们电桥的供电电压在3.3v122图图10电桥电压源根据电路设计，激励电压为12v，为了满足要求，采取分压，Ui=12*（500/2k）=3v我们一般用的是220v交流电源，当然我们还要把220v交流电转换成先用TEMPLATE电感元件将设置电路的正电源负电源，另外缩小了电压为110v，再用整流电桥将交流转换成之流如图11U0U0图图11220V缩小110V交流电源电路整流由于我们的电网不是很稳定，容易出现波动，所以我们需要设置一稳压电路，来使输出电压更加稳定。稳压电路我加入了LM7812CT、LM7912CT正负电源稳压器。详情如图12.-12+12图-12+12图12±12V直流电源稳压电路U0U04.2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，我选择三运放高共模抑制比放大电路，如图13为获得零共模增益，其中R3=R5R4=R6电路的差动闭环增益为：确定了P=2000NK=2.0L=100mmE=71Gpa代入公式得:Uo=1.7241*10^-3Ui故当输入Ui=3V时U0=5.1724mV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由于灵敏度在2mV/V,则放大电路的增益2243，Uimax=11.601V由于放大部分的增益设为224取R0=100Ω则R1=R2=1.12kΩR3=R4=1KR5=R6=10K图13三运放高共模抑制比放大电路4.3滤波电路设计为了能让显示更加准确，在突变的情况下，在各种干扰下也能有正确的显示。在电路中设置了二阶低通滤波器。元件参数的计算二阶低通滤波器性能参数表达式为ωC2＝１/（CC1RR1）Q=0.707ωC/Q=1/R1C+1/R2C+(1+AV)/R2C1AV=1+R4/R3图14二阶低通滤波器图14二阶低通滤波器图14二阶低通滤波器波特图该低通滤波器的通频带的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零,衰减率可达到每十倍频40分贝,滤波特性很理想,

图14二阶低通滤波器波特图第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用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。贴片之后应进行初步检查，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±0.5Ω)等。在2.2的五孔悬臂梁中的应力分析中也有提到关于应变片的粘贴位置。在梁应力变化最大的地方粘贴应变片，使得我们能够得到很大的分辨率，也能够得到更加准确的结果。而为了方便粘贴的生产工序，将应变片粘贴与梁应力变化最大的四处外部。如图12中所示。图12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，我们采用密封装置，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用时的精度。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接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，接线插座或电缆线也需要密封，方法是采用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传感器装配装配见附件尺寸已经标注到装配图纸上。第6章误差源分析以及处理对于这些误差，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，但为了保证具有最佳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，切削用量越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力最大。因此应制定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佳性能，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1500×10-6时疲劳寿命可达108，电阻值偏差小，批次质量均匀性好等。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