【正文】 教學(xué)形式。 傳感器技術(shù)參數(shù)： 測力范圍： 0～ 1 105N；稱量精度：177。 1 % 要求設(shè)計說明書字?jǐn)?shù)不少于 5000 字。 三、 課程 設(shè)計應(yīng)完成的工作 了解荷重測量的一般方法，制定利用應(yīng)變式傳感器測量重物的方案； 進(jìn)行必要的理論分析與計算，確定傳感器基本尺寸； 應(yīng)變式荷重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計；繪制傳感器裝配圖和部分零件圖； 傳感器轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和仿真調(diào)試； 編制設(shè)計說明書。 四、 課程 設(shè)計進(jìn)程安排 序號 設(shè)計各階段內(nèi)容 答疑地點(diǎn) 起止日期 1 布置設(shè)計任務(wù)。學(xué)生查找相關(guān)資料 教 3301 6 月 17 日 2 選定傳感器型式和 結(jié)構(gòu)方案；進(jìn)行相關(guān)理論分析與計算；確定傳感器主要結(jié)構(gòu)尺寸 工學(xué) 1107 6 月 18~19 日 3 傳感器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配圖、零件圖的設(shè)計 工學(xué) 1107 6 月 20~22 日 4 根據(jù)所設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計轉(zhuǎn)換電路 工學(xué) 1107 6 月 23 日 5 傳感器測量轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試 工學(xué) 1107 6 月 24~25 日 6 傳感器制作工藝研究 工學(xué) 1107 6 月 26 日 7 撰寫設(shè)計說明書 工學(xué) 1107 6 月 27 日 8 分組答辯 工學(xué) 1107 6 月 28 日 五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) 李科杰．新編傳感器技術(shù)手 冊（ M）．國防工業(yè)出版社， 2021 年 強(qiáng)錫富．傳感器（第 3 版）（ M）．機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 年 5/ 29 丁鎮(zhèn)生．傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用（ M）．電子工業(yè)出版社， 1999 年 黃繼昌．傳感器工作原理及應(yīng)用實例（ M）．人民郵電出版社， 1998 年 陳爾紹．傳感器實用裝置制作集錦（ M）．人民郵電出版社， 2021 年 黃賢武．傳感器實際應(yīng)用電路設(shè)計（ M）．電子科技大 學(xué)出版社， 1997 年 發(fā)出任務(wù)書日期： 2021 年 6 月 17日指導(dǎo)教師簽名：陳益民、黎勉、查曉春 計劃完成日期： 2021 年 6 月 28 日基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章： 主管院長簽章： 摘要 關(guān)鍵字 ： 應(yīng)變式荷重傳感器、應(yīng)變片、電橋 新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息， 人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。 而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。 因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。 為了進(jìn)一步改善 應(yīng)變式荷重傳感器的形狀尺寸與性能指標(biāo)，本課程設(shè)計重點(diǎn)研究傳感器的工作原理，其中包括基本的理論分析、彈性元件的選材、彈性元件的尺寸設(shè)計、應(yīng)變的選材、應(yīng)變校驗等。 電阻應(yīng)變式傳感器是直接利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器，具有測量范圍廣、誤差小、靈敏度高、線性特性好且能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于力矩、壓力、加速度、重量等測量領(lǐng)域。力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。 本課程設(shè)計重點(diǎn)研究應(yīng)變式荷重傳感器的工作原理。 電阻應(yīng)變效應(yīng)：外力作用于金屬或半導(dǎo)體材料，使其發(fā)生機(jī) 械變形，此時金屬或半導(dǎo)體材料的電阻值就會隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。對于一根金屬電阻絲，設(shè)其電阻率為ρ、長度為 l、橫截面積為 S，則在未受力時，金屬電阻絲的原始電阻為 R=ρ l/S。 6/ 29 當(dāng)金屬電阻絲受到拉力作用時將伸長 dl，橫截面積相應(yīng)減少 dS，電阻率改變 dρ，從而引起金屬電阻的變化。 二、 荷重測量的一般方法的比較 由于應(yīng)變片的變形，使其阻值發(fā)生變化，從而使電壓的輸出值發(fā)生變化，再通過基本轉(zhuǎn)換電路把力轉(zhuǎn)換成電量的形式表示出來。在工程應(yīng)用上，壓力的測量一般都通過力敏傳感器來實現(xiàn)。力敏是指對力學(xué)量敏感的一類器件或裝置。對力學(xué)量敏感的期間或裝置種類繁多，其中主要有應(yīng)變式、電感式、電容式和壓電式傳感器。 被測量 /壓力 UO 電量 圖 荷重測量的一般方法 1. 應(yīng)變式傳感器 應(yīng) 變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片。當(dāng)試件受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，引起應(yīng)變片電阻值變化，通過測量電路將其轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號輸出。金屬應(yīng)變式傳感器可以測量力、壓力等非電量參數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：精度高，測量范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高。對測力傳感器而言，量程從零點(diǎn)幾牛至幾百千牛，精度可達(dá) %FS（ FS 為滿量程）；對測壓傳感器，量程從幾十帕至 1011帕，精度為 %FS。應(yīng)變測量范圍一般可由幾微應(yīng)變至幾千微應(yīng)變。 缺點(diǎn)：在大應(yīng) 變狀態(tài)中具有較明顯的非線性，且抗干擾能力較差，需要采用屏蔽措施。 2. 壓阻式傳感器 固體受到作 用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱壓阻效應(yīng)。壓阻式傳感器就是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。它主要用來測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，精度高 — 級，頻率響應(yīng)好，可測 300500KHz以下的脈沖壓力；；工作可靠，耐沖擊；耐震動；抗干擾；可微型化、智能化、功耗小、體積小、壽命長，可批量生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。 某種形態(tài)傳感器 基本轉(zhuǎn)換電路 7/ 29 3. 電感式傳感器 電感式 傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量檢測的一種裝置?？梢杂脕頊y壓力、應(yīng)變等參數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高。 缺點(diǎn)：存在零點(diǎn)殘余電壓；頻率響應(yīng)低，不宜用快速測量。 4. 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種裝置，實質(zhì)上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。它廣泛應(yīng)用于壓力、加速度等測量之中。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、易于實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)。 缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差，寄生電容影響大。 壓電式傳感器 是一種典型的有源傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是一種力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。 優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、重量輕、固有頻率高。 缺點(diǎn)：無靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，價格貴，一般只用于對精度要求很高的情況中。 綜上所述，結(jié)合本次課程設(shè)計的參數(shù)要求和各傳感器的特點(diǎn)與應(yīng)用場合的比較，應(yīng)變式測力與稱重傳感器無論在數(shù)量上，還是在應(yīng)用領(lǐng)域方面，它與 其它類型的力與稱重傳感器相比仍然占主導(dǎo)地位。因此本次荷重傳感器課程設(shè)計選用應(yīng)變式傳感器。 三、 傳感器方案的確定 ： 測力范圍： 0～ 1 105N；稱量精度：177。 1 % 8/ 29 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) ,將測量物體的變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器?，F(xiàn)對應(yīng)變片傳感器的工作原理作簡單介紹； 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，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)。 設(shè)有一根長度為 L的，截面積為 S，電阻率為 ρ的金屬絲，在未受力時，原始電阻為： SLR ?? （ 21） 當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力 F作用時，將伸長 ΔL，橫截面積相應(yīng)減小 ΔS， 電阻值 ΔR的變化引起電阻的相對變化為： ????????? SSllRR （ 22） 由材料力學(xué)知： （ 23） 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： ????????? ????????? 0)21(2 kEERR 0k LL? （ 24） 上式為“應(yīng)變效應(yīng)”的表達(dá)式， K0 為金屬電阻的靈敏系數(shù)，通常金屬絲的靈敏系數(shù) K0=2 左右。實驗也表明，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與軸向應(yīng)變稱正比。 金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片（底）、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。 ??????? ELL ????? ?? 9/ 29 圖 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 應(yīng)變片的規(guī)格以面積和阻值表示。 如（ lb） mm2 120Ω 其中： l應(yīng)變片的基長； b— 基寬。 應(yīng)變式力傳感器的彈性元件有 輪輻式，梁式，環(huán)式，柱式等，下面對這幾種應(yīng)變式力傳感器進(jìn)行分析比較： （ 1） 輪輻式傳感器 外加載荷作用在輪的頂部和輪圈底部 ，輪輻上受到純剪切力。每條輪輻上的剪切力和外加力 F成正比。當(dāng)外加力作用點(diǎn)發(fā)生偏移時，一面的剪切力減小，一面增加，其絕對值之和仍然是不變的常數(shù)。應(yīng)變片 (8片 )的貼法和連接電橋如圖 ?？梢?