【正文】 武漢理工大學(xué)《傳感器原理及應(yīng)用A》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 基于電阻應(yīng)變片的S型稱重傳感器設(shè)計(jì) 1. 正確選取電阻應(yīng)變片的型號(hào)、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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和受力分析，并根據(jù)測(cè)試極限范圍進(jìn)行強(qiáng)度校核；3. 完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計(jì)；4. 完成應(yīng)變電橋輸出信號(hào)的后續(xù)電路的設(shè)計(jì)和相關(guān)電路參數(shù)計(jì)算，繪制電路原理圖（4號(hào)圖紙）；5. 按學(xué)校課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)規(guī)范提交一份課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（6000字左右）；按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制彈性元件圖（4號(hào)圖紙）,機(jī)械裝配圖各一張（≥3號(hào)圖紙）；隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)傳感器的測(cè)量精度，測(cè)量范圍以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)程度都提出立新的要求。本設(shè)計(jì)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(diǎn)。在配料秤、機(jī)電結(jié)合秤、吊鉤秤、包裝秤、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)等設(shè)備力值的測(cè)量及控制上有著十分廣泛的應(yīng)用。2. 電阻應(yīng)變片式傳感器的工作原理及特點(diǎn)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(jī)械變形而發(fā)生相應(yīng)的變化特性來(lái)改變電路的輸出電壓或電流，并經(jīng)過(guò)相應(yīng)的測(cè)量電路進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)力的測(cè)量。電阻應(yīng)變片式傳感器主要有以下特點(diǎn)： （1）測(cè)量靈敏度和精度高，測(cè)量范圍大； （2）使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠，適應(yīng)性強(qiáng)； （3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，質(zhì)量輕； （4）易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量和遙測(cè)；3雙梁S型傳感器設(shè)計(jì)方案 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(jī)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 （1）其中R為電阻，為電阻率，為金屬絲長(zhǎng)度，S為金屬絲截面積。當(dāng)金屬絲因受拉爾伸長(zhǎng)時(shí)，其電阻發(fā)生變化，對(duì)式一進(jìn)行全微分可以得到： （2）則電阻的相對(duì)變化為： （3）式中，為金屬絲長(zhǎng)度的相對(duì)變化，根據(jù)材料力學(xué)，它等于金屬絲軸向應(yīng)變；為截面積的相對(duì)變化，因?yàn)?，所以，稱為金屬絲徑向應(yīng)變，（為材料的泊松系數(shù)）；為電阻率的相對(duì)變化。則由以上參數(shù)的定義，式3可以等效為 （4）所以靈敏度系數(shù)為 （5）并且實(shí)驗(yàn)證明，在金屬絲的彈性變形范圍內(nèi)，與軸向應(yīng)變成正比，所以為常數(shù)。即就是: (6)式6表明，金屬絲的軸向應(yīng)變與其電阻相對(duì)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。電阻應(yīng)變片分為很多類，一般常見(jiàn)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(jì)中我采用金屬箔式應(yīng)變片，主要有以下原因：1. 金屬箔式應(yīng)變片能保證線柵尺寸的準(zhǔn)確，線條均勻，在生產(chǎn)時(shí)，電阻值離散成都??；2. 敏感柵薄而寬，粘貼性能好，傳遞試件應(yīng)變性能好；3. 散熱性能好，允許通過(guò)較大的工作電流，從而提高了輸出靈敏度；4. 敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；5. 蠕變、機(jī)械滯后較小，抗疲勞壽命長(zhǎng)； 敏感柵材料的選擇 對(duì)于敏感柵材料，為保證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(guó)內(nèi)目前應(yīng)用最多的30CrMnSiA,其線性膨脹系數(shù)為，為了在應(yīng)變片中實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，則應(yīng)變片敏感柵必須盡量滿足： （7）綜合以上因素，對(duì)比常見(jiàn)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(cè)應(yīng)變的任務(wù)，因此對(duì)基地材料的要求機(jī)械強(qiáng)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(jì)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(cè)量使用時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)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(duì)于測(cè)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(qiáng)度，能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變；對(duì)彈性元件和應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用；蠕變、機(jī)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(jì)中我選用環(huán)氧樹(shù)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(shí)他還有較好的抗?jié)?、抗老化能力，且成本較低。是理想的粘接劑。對(duì)于傳感器用的應(yīng)變片，一般阻值都選用。對(duì)于一般的應(yīng)變片來(lái)說(shuō)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(shí)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(jì)要求。綜合以上對(duì)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(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中我選擇型號(hào)為BH350—1AA箔式應(yīng)變片。 彈性元件的設(shè)計(jì) 圖1 力的計(jì)算簡(jiǎn)化圖 如上圖所示，為了便于S型傳感器彈性體的計(jì)算，可以把彈性體簡(jiǎn)化為一端固定，另一端只沿力作用方向移動(dòng)而不能轉(zhuǎn)動(dòng)的二度靜不定梁。若為單梁其應(yīng)力計(jì)算如下： , , ,且對(duì)于不定梁有 所以有 (8) （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,所以有 (10) —載荷力（，本次為1500kg）； —梁端部到中心的距離（本次選擇量程為1t,則L設(shè)為14mm）； —應(yīng)變片的基長(zhǎng)（）。 —梁端到應(yīng)變片的距離； —梁的厚度； —梁的寬度（本次梁的寬度為40mm）； —彈性模量（*10^11pa）； —彎矩； —彎矩模量； —材料應(yīng)力(*10^9pa將數(shù)據(jù)帶入得：在本次設(shè)計(jì)中取，因此有:由于 , （11）所以有：根據(jù)第一強(qiáng)度理論：則該材料可以滿足強(qiáng)度要求，故彈性元件總的示意圖如下： 圖2 彈性元件圖圖 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖3 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 上圖中，L為應(yīng)變片的基長(zhǎng)，D為基寬。L*D為應(yīng)變片的面積。根據(jù)本次選擇，其規(guī)格為 , 應(yīng)變片的安裝與布置應(yīng)變片在彈性元件上的安裝如下圖： 圖4 應(yīng)變