【正文】 應(yīng)變片允許功耗的限制。為此，國外近年來又推薦利用超聲波進(jìn)行處理的方法。適當(dāng)保留一些均勻的應(yīng)力對零件是有利的，它比零應(yīng)力的零件更穩(wěn)定 [15]。 消除彈性元件殘余內(nèi)應(yīng)力的方法很多，通常有下列幾種： 最有效的辦法是長期自然有效，即加工完成后放置半年或幾年。 ①貼片偏差應(yīng)在許可范圍內(nèi)；②阻值變化應(yīng)在測量儀器預(yù)調(diào)零范圍內(nèi)；③引線中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 28 頁 共 40 頁 和試件間的絕緣電阻應(yīng)大于 200 ?M 根據(jù)工作條件選擇好導(dǎo)線，然后通過中間接線片 (柱 )把應(yīng)變計(jì)引線和導(dǎo)線焊接，并加以固定。 粘結(jié)劑的選擇 粘結(jié)劑的主要功能是要在 切向準(zhǔn)備傳遞試件的應(yīng)變。 應(yīng)變電阻選用應(yīng)變系數(shù)大、性能穩(wěn)定的釕酸鹽厚膜電阻漿料制作。 由 A— A 剖面分析，負(fù)荷 F 須由一對剪力 2F 與之平衡。非線性和靈敏度與豎梁的長度和剛度無關(guān)。 特殊梁式力傳感器 雙孔梁 （ 1）雙孔彈性梁結(jié)構(gòu)：圖 為傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。這是非常小的通常可以忽略不計(jì)，但是在稱重傳感器檢測數(shù) 據(jù) 中，這是應(yīng)該被檢測的誤差。另外，如果應(yīng)變計(jì)的柵長和柵寬分別由 1/8 英寸增大到 1/4 英寸時(shí)，應(yīng)變計(jì)的面積便增加了 4倍，而輸出增加一倍。 若要增大這個(gè)例子中圓筒式稱重傳感器的輸出，我們可以作很多工作。 圓柱式稱重傳感器電橋的輸出應(yīng)由公式（ ）計(jì)算。 利用拉伸與壓縮應(yīng)力的稱重傳感器 利用拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力的多為商業(yè)稱重傳感器，它是利用單一載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，代替被稱物體產(chǎn)生的應(yīng)力。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 共 40 頁 4 電阻應(yīng)變式力傳感器的設(shè)計(jì) 柱形應(yīng)變式力傳感器 柱 形 彈性元 件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。取電阻值大，可以加大應(yīng)變片承受電壓，因此輸出信號(hào)大，但敏感柵尺寸也增大。 最大工作電流是指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量變化的方向相反。應(yīng)變片橫向效應(yīng)表明，當(dāng)實(shí)際使用應(yīng)變片時(shí)，使用條件與標(biāo)定靈敏系數(shù) k 時(shí)的標(biāo)定規(guī)則不同時(shí)，例如， ? ≠ 或受非單向應(yīng)力狀態(tài)、以及橫向效應(yīng)的影響，實(shí)際 k 值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測量誤差。一批產(chǎn)品中只能抽樣 5％的產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值作為該批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，又稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。 表 常用應(yīng)變電阻絲材 康 銅 鎳鉻錳硅 鎳鉻 電阻率（ mmm2?? ） ~ ~ 1~ 電阻溫度系數(shù)（ C?1 ） ? 20? 166? ? 10? 106? ? 110? 106? 靈敏系數(shù) k 2? ~ ~ 與銅焊接性 好 較好 較好 抗拉強(qiáng)度（2mmkg） ~ 110~140 應(yīng)變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙基逐漸被膠基（有機(jī)聚合物）取代，因?yàn)槟z基各方面性能都好于紙基。為了沉積基底絕緣材料，進(jìn)一步改善濺射過程，需采用高頻濺射系統(tǒng)，這種片的優(yōu)點(diǎn)是：阻值比箔式高，形狀和尺寸也比箔式片更小更精確，沒有箔式片腐蝕所引入的疵?。恢瞥傻慕Y(jié)構(gòu)導(dǎo)熱良好，對于較寬的工作溫度范圍也可達(dá)到較完善的補(bǔ)償。箔式片所用箔材，一般厚為 3～ 5 微米，常用銅鎳合金（如康銅），但近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)變片用箔材也發(fā)展成為系列。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 40 頁 圖 回線式應(yīng)變片 它的敏感柵材料直徑在 ～ 之間，以 左右為最常用 ,回線的曲率半徑 r 為 ～ ，基片用厚度為 左右的 薄紙（稱紙基），或用粘結(jié)劑和有機(jī)樹脂基膜制成（稱膠基），粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形。則根據(jù)式（ ），可以得到被測對象的應(yīng)變值為 x? ，而根據(jù)應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系。將（ ）式微分，可得 )( ??dSdSldlRdR ??? 即： ??dSdSldlRdR ??? （ ） 因?yàn)?2rS ?? ， rdrdS ?2? 所以： rdrSdS 2? （ ） 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 40 頁 令 ??ldl ， 為電阻絲軸向相對伸長即軸向應(yīng)變，而 rdr 則為電阻絲徑向相對伸長即徑向應(yīng)變，兩者的比例系數(shù)即泊松系數(shù)為 ? ，負(fù)號(hào)表示方向相反，有： ??? ???? ldlrdr （ ） 將（ ）式代入（ ）式得： ??2??SdS （ ） 將（ ）式代入（ ）式并經(jīng)整理后得： ????? ])21[(dRdR ??? （ ） 即： ?????dRdRK ???? )21(0 （ ） 0K 稱為金屬材料的靈敏系數(shù)，它的物理意義為單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。金屬導(dǎo)體的電阻隨著它所受機(jī)械變形（伸長或縮短）的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 壓力傳感器是將壓力這個(gè)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種電阻應(yīng)變式傳感器。敏感元件的輸出響應(yīng)與輸入變量之間如果是線性關(guān)系，當(dāng)然最便于應(yīng)用。 下面具體介紹這幾種元件的性能 : （ 1）敏感元件：敏感元件是能夠靈敏地感受被測變量并做出響應(yīng)的元件。 這個(gè)公式說明應(yīng)力的變化和圓柱體受力的大小和圓柱的橫截面積有關(guān)，其中一個(gè)變化應(yīng)力就隨著變化。而粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，因此電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。近年來，微型計(jì)算機(jī)組成的測控系統(tǒng)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到 應(yīng)用，而傳感器作為微型機(jī)的接口必須解決相容技術(shù)，根據(jù)這些時(shí)代特點(diǎn)，傳感器將向以下幾個(gè)方面發(fā)展：為了提高測控精度，必須使傳感器的精度盡可能提高，例如對于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的壓力測量，希望測量精度的功能優(yōu)于 %，對超精度加工“在線”檢測精度高于 ，因此需要研制出高精度的傳感器，以滿足測量的需求。我國的 863 計(jì)劃和科技攻關(guān)計(jì)劃也把傳感器的研究與開發(fā)放在重要地位。隨著技術(shù)進(jìn)步以及用現(xiàn)代電子信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深入，其需求量日趨增加 。 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電阻應(yīng)變式的稱重傳感器。應(yīng)變片阻值的變化可以通過后續(xù)的處理電路求得?？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器 ，就沒有精確可靠的自動(dòng)檢測和控制系統(tǒng)。 電阻應(yīng)變片式傳感器是現(xiàn)代傳感器技術(shù)的重要組成部分，它利用當(dāng)電阻應(yīng)變計(jì)安裝在彈性體上時(shí)，在外載荷作用下，彈性體的變形與其引起電阻應(yīng)變計(jì)的電 阻變化之間呈線性關(guān)系的原理，制成測量各種物理量的傳感器，這種傳感器，習(xí)慣稱為電阻應(yīng)變式傳感器或是應(yīng)變計(jì)式傳感器 (Stain gage transducer)[1]。我們的理解是：傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。電阻應(yīng)變片的作用就是傳感器中的轉(zhuǎn)換元件，是電阻應(yīng)變片傳感器的核心元件。 上述這兩種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、應(yīng)變片容易粘貼、靈敏度高等特點(diǎn)。因此，彈性膜盒是一種壓力敏感元件。例如彈性膜盒的輸出響應(yīng)是形變，是微小的幾何量（位移），不便于遠(yuǎn)距離傳送； （ 3）測量電路：轉(zhuǎn)換電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的可用信號(hào)作為輸入，將其進(jìn)行放大、顯 示和記錄的電路。它是目前應(yīng)用較多的壓力傳感器之一，因具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量速度快等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、電力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。直至二次大戰(zhàn)時(shí)期，由于電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，美國研制出了粘貼式電阻應(yīng)變片，并首先應(yīng)用于航空工業(yè)，對當(dāng)時(shí)航空技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸的比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變是成正比的，即 0K 為一常數(shù)。 電阻應(yīng)變片的種類及材料 電阻應(yīng)變片的種類 現(xiàn)代應(yīng)變片根據(jù)實(shí)際需要已發(fā)展成為多種型式：尺寸長的有幾百毫米，短的僅 毫米；形式上有單片，應(yīng)變花和特殊形狀的圖案 。但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大 [7]。 （ 1）制造技術(shù)能保證 敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，可以制成任意形狀以適應(yīng)不同的測量要求； （ 2）敏感柵截面為矩形，其表面積對截面積之比遠(yuǎn)較圓斷面的為大，故粘合中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 40 頁 面積大； （ 3）敏感柵薄而寬，粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好； （ 4）散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而增大輸出信號(hào)； （ 5）敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略； （ 6）蠕變、機(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的所謂“壓阻效應(yīng)”。 康銅絲敏感柵應(yīng)變片，引線系采用直徑為 的銀銅絲，采用點(diǎn)焊焊接。 圖 應(yīng)變片的橫向效應(yīng) 粘貼在受單向拉伸力試件上的應(yīng)變片，如圖 所示，其敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成。 應(yīng)變片安裝在試件上以后，在一定溫度下，其 ??? )( RR 的加載特性與卸載特性不重合， 圖 應(yīng)變片的機(jī)械滯后 如圖 所示，在同一機(jī)械應(yīng)變值 g? 下，其對應(yīng)的 RR? 值不一致。 應(yīng)變片在制造過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、絲材、粘合劑、基底等的變化是造成應(yīng)變片零漂和蠕變的因素。工作電流的選取，要根據(jù)散熱條件而定，主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能 等。設(shè)應(yīng)變的變化為 ft??? 2sin0? ，應(yīng)變在試件中軸向傳播，有 vtx? ， tv ?? ，所以txt ?? ，代入應(yīng)變表達(dá)式，則應(yīng)為 txf ???? 2sin0? 。四個(gè)應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變 (因?yàn)榭v向應(yīng)變與橫向應(yīng)變是互為反向變化的 )，如圖 所示。最好是將圓柱的兩端固定或設(shè)計(jì)成雙球面，若是作不到這一點(diǎn)，就把應(yīng)變計(jì)粘貼在附加彎矩最小區(qū)域，那里的橫截面存在有規(guī) 律的變化，并產(chǎn)生最小的彎曲應(yīng)力。 為通過公式確定 N 、 1e = 3e 、 2e = 4e = 1e? ，式中 ? 為泊松比。 （ 2） 電橋輸出電壓 0E 與輸入電壓成正比，輸入電壓受材料 、 電橋電阻 、 應(yīng)變計(jì)尺寸等限制。對于一個(gè)靈敏度為 vmv 的稱重傳感器，這種固有的非線性大約為 %。 為了保證等應(yīng)變性，作用力 F 必須加在梁的兩斜邊的交匯點(diǎn) T 處。厚膜應(yīng)變電阻采用釕酸鹽系列應(yīng)變電阻漿料制作，應(yīng)變系數(shù)為 10 左右，在 800℃以上高溫?zé)Y(jié)而成。經(jīng)模擬驗(yàn)證分析，選用圖 所示的雙孔梁結(jié)構(gòu)形式。 （ 3）工藝：圖 為本傳感器的主要加工工藝流程圖，限于篇幅，就不在一一敘述。具有性能優(yōu)良 、蠕變小、抗腐耐溫、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性價(jià)比高等一系列優(yōu)點(diǎn) ， 可廣泛用于民用、商用電子秤作稱重測量，也可作小量程荷重傳感器用于工業(yè)過程控制和自動(dòng)檢測。通常在室溫工作的應(yīng)變計(jì)多采用常溫、指壓固化條件的粘結(jié)劑；非金屬基應(yīng)變 計(jì)若用在高溫工作時(shí)，可將其先粘貼在金屬基底上，然后再焊接在試件上。 ② 粘貼工藝：被測件粘貼表面處理，貼片位置的確定、貼片、干燥固化、貼片質(zhì)量檢查、引線的焊接與固定，以及防護(hù)與屏蔽等。 原理與應(yīng)變材料的退火相試。但是，在貼片后進(jìn)行的疲勞加載，有利于改善應(yīng)變片的性能。兩種效應(yīng)聯(lián)合作用，使得穩(wěn)定效果良好。 取 0?nu ddK 時(shí)， uK 為最大，得 42 )1()1( nn ?? ，所以 1?n 時(shí)，即 21 RR? ，43 RR? 時(shí) uK 為最大。0039。當(dāng)環(huán)境溫度變化 t? 時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為 t? ，則引起的電阻相對變化為： tRR tt ??? ?1)( （ ） 試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)梁上下面溫度一致， BR 與 1R 可起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 34 頁 共 40 頁 采用差動(dòng)電橋，如圖 ，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一片受拉，一片受壓，然后接入電橋相鄰臂。 式 ()求出的輸出電壓是由略去式 ()分母中的 11 RR? 項(xiàng) (假設(shè)11RR? 1）而得的近似值。應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化Δ R，此時(shí)有不平衡電壓輸出。 上述五種方法，雖然都能不同程度地消除彈性元件的內(nèi)應(yīng)力，使性能穩(wěn)定，但有缺點(diǎn)，如：設(shè)備復(fù)雜、操作費(fèi)事；加 溫溫度過高，消除內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)，元件強(qiáng)度、硬度及彈性都會(huì)受到影響；溫度過低、降溫過快有可能形成新的應(yīng)力，效果又不理想。此外從曲線 3部位還可以看出，其余剩下的即使退不完也均勻化了。這種剩余應(yīng)力隨時(shí)間而進(jìn)行的各種釋放必然成為傳感器的隱患。 將涂好膠的應(yīng)變計(jì)與試件，按坐標(biāo)線對準(zhǔn)貼上→用手指順軸向滾壓 ，去除氣泡和多余膠液→按固化條件固化處理?？梢娺x擇粘結(jié)劑和正確的粘結(jié)工藝與應(yīng)變片的測量精度有著極其重要的關(guān)系 [14]。雙孔梁中瓷件的