【正文】 武漢理工大學(xué)《傳感器原理及應(yīng)用 A》課程設(shè)計說明書 1 基于電阻應(yīng)變片的 S 型稱重傳感器設(shè)計 設(shè)計的任務(wù)及要求 1. 正確選取電阻應(yīng)變片的型號、數(shù)量、粘貼方式并連接成電橋； 2. 選取適當(dāng)形式的彈性元件，完成其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和受力分析，并根據(jù)測試極限范圍進行強度校核； 3. 完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計； 4. 完成應(yīng)變電橋輸出信號的后續(xù)電路的設(shè)計和相關(guān)電路參數(shù)計算，繪制電路原理圖（ 4 號圖紙）； 5. 按學(xué)校課程設(shè)計說明書撰寫規(guī)范提交一份課程設(shè)計說明書（ 6000 字左右）； 按機械制圖標(biāo)準繪制彈性元件圖（ 4 號圖紙） ,機械裝配圖各一張（≥ 3 號圖紙）； 及發(fā)展趨勢 隨著社會的發(fā)展，人們對傳感器的測量精度，測量范圍以及對環(huán)境的適應(yīng)程度都提出立新的要求。本設(shè)計為雙梁 S 型稱重傳感器，具有精度高、雙向承載、便于安裝等特點。在配料秤、機電結(jié)合秤、吊鉤秤、包裝秤、材料力學(xué)實驗機等設(shè)備力值的測量及控制上有著十分廣泛的應(yīng)用。 電阻應(yīng)變片式傳感器是把非電物理量轉(zhuǎn)化為電阻變化的一種傳感器。它將具有電阻應(yīng)變小英的金屬絲接入電路，利用金屬絲的電阻隨著其所受的機械變形而發(fā)生相應(yīng)的變化特性來改變電路的輸出電壓或電流，并經(jīng)過相應(yīng)的測量電路進行轉(zhuǎn)化，從 而實現(xiàn)力的測量。 電阻應(yīng)變片式傳感器主要有以下特點： （ 1）測量靈敏度和精度高，測量范圍大； （ 2）使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠，適應(yīng)性強； （ 3）結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，質(zhì)量輕； （ 4）易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量、遠距離測量和遙測； 3 雙梁 S 型傳感器設(shè)計方案 電阻應(yīng)變片的工作原理 電阻應(yīng)變片的工作原理是金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬絲的電阻隨它所受機械變形而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象。設(shè)金屬絲在自由狀態(tài)下的電阻為 SlR ?? （ 1） 其中 R為電阻， ? 為電阻率， l 為金屬絲長度， S為金屬絲截面積。 武漢理工大學(xué)《傳感器原理及應(yīng)用 A》課程設(shè)計說明書 2 當(dāng)金屬絲因受拉爾伸長時，其電阻發(fā)生變化，對式一進行全微分可以得到： ??? dSldSS ldlSdR ???2 （ 2） 則電阻的相對變化為： ??dSdSldlRR ???d （ 3） 式中， lld 為金屬絲長度的相對變化，根據(jù)材料力學(xué)，它等于金屬絲軸向應(yīng)變lld?? ； SSd 為截面積的相對變化，因 為 2rS ?? ，所以 rdrSdS 2? ，rdrr ?? 稱為金屬絲徑向應(yīng)變， ??? r ? （ ? 為材料的泊松系數(shù)）； ??d 為電阻率的相對變化。 則由以上參數(shù)的定義，式 3可以等效為 ???? dRR ??? )21(d （ 4） 所以靈敏度系數(shù) SK 為 ????? dR RK S ???? )21(d （ 5） 并且實驗證明，在金屬絲的彈性變形范圍內(nèi)， RRd 與軸向應(yīng)變 ? 成正比，所以 SK 為常數(shù)。即就是 : ?SKRR ?? (6) 式 6 表明，金屬絲的軸向應(yīng)變與其電阻相對變化成正比，金屬絲收到拉力將產(chǎn)生應(yīng)變，電阻 值現(xiàn)行減小。 應(yīng)變片種類的選擇 電阻應(yīng)變片分為很多類，一般常見的有金屬絲是應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片以及金屬薄膜式應(yīng)變片。本次設(shè)計中我采用金屬箔式應(yīng)變片，主要有以下原因： ，線條均勻，在生產(chǎn)時，電阻值離散成都小； ，粘貼性能好，傳遞試件應(yīng)變性能好； ，允許通過較大的工作電流，從而提高了輸出靈敏度； ； 、機械滯后較小，抗疲勞壽命長； 應(yīng)變片材料的選擇 武漢理工大學(xué)《傳感器原理及應(yīng)用 A》課程設(shè)計說明書 3 敏感柵材料的選擇 對于敏感柵材料 ，為保證 RR? 與 ? 有良好而且寬廣的線性關(guān)系，要求材料靈敏度系數(shù) Ks 和電阻率 ? 要盡可能大而穩(wěn)定；為了減小溫度誤差的影響，要求材料的電阻溫度系數(shù)小，且電阻 — 溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性要好；并且在彈性元件的選擇中我選擇國內(nèi)目前應(yīng)用最多的 30CrMnSiA,其線性膨脹系數(shù)為 61011? ，為了在應(yīng)變片中實現(xiàn)溫度自補償，則應(yīng)變片敏感柵必須盡量滿足： 0)(g ??? sK ??? （ 7） 綜合以上因素，對比常見的幾種敏感柵材料可知選擇康銅作為敏感柵材料最為合適。 基底材料的選擇 基底是電阻應(yīng)變片制造和應(yīng)用的重要組成部分，承擔(dān)著固定保持敏感柵的形狀、傳遞被測應(yīng)變的任務(wù)，因此對基地材料的要求機械強度及撓性好、 粘貼性能好、電絕緣抗?jié)裥院?，物質(zhì)后和蠕變。常用的有紙基和膠基兩大類，本次設(shè)計中我選用膠基中的環(huán)氧作為基底材料。其具有可耐高溫、抗?jié)裥阅芎脺y量使用時間長等優(yōu)點 粘接劑的選擇 粘接劑是連接構(gòu)件表面和應(yīng)變片的重要物質(zhì)，粘接劑和應(yīng)變片的粘接技術(shù)對于測量結(jié)果有著直接的影響，要求粘接劑材料有一定的粘接強度，能準確傳遞應(yīng)變；對彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用；蠕變、機械之后誤差?。磺矣休^寬的使用溫度范圍和良好的耐疲勞、抗老化性能。綜合以上要求，本次設(shè)計中我選用環(huán)氧樹脂酸粘接劑，其溫度適用范圍為 60— +80度，滿足本次要求的 30— +60度，同時他還有較好的抗?jié)瘛⒖估匣芰?，且成本較低。是理想的粘接劑。 應(yīng)變片電阻值的選擇 對于傳感器用的應(yīng)變片，一般阻值都選用 ?350 。 應(yīng)變片靈敏度系數(shù)的選擇 對于一般的應(yīng)變片來說靈敏度系數(shù)越大，其輸出就越大。但是大部分應(yīng)變片的K 值為 2 ，在本次實際中我也選擇 K為 2的應(yīng)變片，并且在上面選擇了康銅作為敏感柵材料，已經(jīng)符合了設(shè)計要求。 綜合以上對敏感柵、基底及阻值的選擇要求、使用環(huán)境 溫度以及 S 型傳感器受力均勻的特點，在本設(shè)計中我選擇型號為 BH350— 1AA 箔式應(yīng)變片。 彈性元件的設(shè)計 武漢理工大學(xué)《傳感器原理及應(yīng)用 A》課程設(shè)計說明書 4 圖 1 力的計算簡化圖 如上圖所示，為了便于 S 型傳感器彈性體的計算，可以把彈性體簡化為一端固定，另一端只沿力作用方向移動而不能轉(zhuǎn)動的二度靜不定梁。若為單梁其應(yīng)力計算如下： ?? E? , WMmaxmax ?? , Emaxmax ?? ? , WFL?? 且對于不定梁有 62bhW? 所以有 EbhFLWME 2m a xm a x 6??? (8) ?bFLh 6? （ 9） 由于應(yīng)變片不是貼在根部，而是貼在孔壁最薄的位置，且所選傳感器為雙梁，所以每根梁上受力為 2F ,所以有 EbhaLF2)2/(3 ?? ??? (10) F— 載荷力（一般為最大力的 倍，本次為 1500kg）； L— 梁端部到中心的距離（本次選擇量程為 1t,則 L 設(shè)為 14mm）； a— 應(yīng)變片的基長（本次選用的應(yīng)變片基長為 ） 。 ? — 梁端到應(yīng)變片的距離； h— 梁的厚度； b— 梁的寬度（本次梁的寬度為 40mm）； E— 彈性模量（ 30CrMnSiA 的彈性模量為 *10^11pa）； 武漢理工大學(xué)《傳感器原理及應(yīng)用 A》課程設(shè)計說明書 5 M — 彎矩； W— 彎矩模量； ?— 材料應(yīng)力 (30CrMnSiA 的材料應(yīng)力為 *10^9pa 將數(shù)據(jù)帶入得： mmbFLh