【正文】 rain type weighing sensor. Resistance strain type weighing sensor is based on the principle that elastomer (elastic element, sensitive beam) elastic deformation under the action of external force, the resistance strain gauge on the surface of the paste in his (cell) also along with the deformation and deformation resistance strain gauge, its value will change (increase/decrease), and then through the corresponding measurement circuit convert the resistance to electrical signals (voltage or current), so as to plete the process of external force transform into electrical signals. The design of the weighing sensor is the change of resistance strain gauge is used to determine the small strain of elastic element, so as to use force, stress and strain the relationship between the area to determine the size of the force, then the force of the mass of the body. The change of the resistance strain gauge can be obtained through the subsequent processing circuit. Keywords: Weighing sensors, elastomer, resistance strain gauge 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 I 頁 共 II 頁 目 錄 1 緒論 .............................................................. 1 課題研究的背景 .................................................. 1 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài) .................................................. 1 2 傳感器的相關(guān)知識 .................................................. 3 傳感器概念 ...................................................... 3 傳感器的工作原理 ................................................ 3 傳感器的組成結(jié)構(gòu) ................................................ 5 3 電阻應(yīng)變片的相關(guān)知識 .............................................. 7 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理 ...................................... 7 電阻應(yīng)變效應(yīng) .................................................... 8 金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng) ........................................ 8 電阻 — 應(yīng)變特性 ................................................ 8 應(yīng)變片測試原理 ................................................ 9 電阻應(yīng)變片的種類及材料 ......................................... 10 電阻應(yīng)變片的種類 ............................................. 10 電阻應(yīng)變 片的材料 ............................................. 12 金屬應(yīng)變片的主要特性 ........................................... 13 4 電阻應(yīng)變式力傳感器的設(shè)計 ......................................... 19 柱形應(yīng)變式力傳感器 ............................................. 19 利用拉伸與壓縮應(yīng)力的稱重傳感器 ............................... 20 柱式稱重傳感器的誤差來源 ..................................... 22 梁式力傳感器 ................................................... 23 5 粘貼技術(shù)及穩(wěn)定處理 ............................................... 27 應(yīng)變片粘貼技術(shù) ................................................. 27 粘結(jié)劑的選擇 ................................................. 27 應(yīng)變計的粘貼 ................................................. 27 彈性元件材料的穩(wěn)定處理 ......................................... 28 6 電阻應(yīng)變式傳感器的信號處理電路 ................................... 31 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 II 頁 共 II 頁 轉(zhuǎn)換電路 ....................................................... 31 直流電橋 ....................................................... 31 電路圖設(shè)計 ..................................................... 36 電路仿真 ....................................................... 36 參 考 文 獻(xiàn) ......................................................... 39 致 謝 .............................................................. 40 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 40 頁 1 緒論 1． 1 課題研究的背景 現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的拾取、傳輸和處理技術(shù)，也就是 傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”、“大腦”。 應(yīng)變式力傳感器用作靜態(tài)、動態(tài)條件下測力或稱重，在我國工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制、自動計量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。 由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，工藝過程自動化程度越來越高，因此對測控系統(tǒng)的精度提出更高的要求。在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系： SEFEll ???? ?? （ ） 式中： F — 作用在彈性元件上的集中力； S — 圓柱的橫截面積。彈性膜盒的形變除取決于壓力變化外，也和環(huán)境溫度變 化有關(guān)，必要時應(yīng)采取溫度補償措施。另外，如果彈性材料和結(jié)構(gòu)選擇恰當(dāng)，還可制成耐高溫、耐腐蝕的全隔膜式薄膜壓力傳感器 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 40 頁 電阻應(yīng) 變效應(yīng) 金屬材料的電阻應(yīng)變效應(yīng) 早在 1856 年英國物理學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)了金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。如果應(yīng)用儀器測出應(yīng)變片的電阻值變化 R? 。 箔式片的絲柵尺寸小 ，形狀任意、柔軟、橫向效應(yīng)小，容許電流大，疲勞壽命高，蠕變及滯后好，應(yīng)用日益增多，早期獲得均勻的箔材比較困難，但目前已是應(yīng)變式傳感器中使用的主要品種。 此外，制作應(yīng)變片敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、 貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，材料性能見表 所示。這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一時，都認(rèn)為是疲勞損壞：①應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路；②應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化 10％；③應(yīng)變片輸出信號波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。 表 不同應(yīng)變片基的最高工作頻率 應(yīng)變片基長l(mm) 1 2 3 5 10 15 20 最高工作頻率f(kHz) 250 125 50 25 應(yīng)變片的理論和實際輸出波形如圖 所示，如以輸出從 10％上升到 90％的這 段 時間 作為 上升 時間 kt ，則 kt = vI ， 可 測頻 率 f ＝ ，則lvlvf ?? 。 既然這是一個單軸向載荷的圓柱，就可應(yīng)用 胡 克定律，其應(yīng)力、應(yīng)變可用如下公式計算： mESe ?1 （ ） mEeS 1? （ ） 式中： mE — 彈性模量 ； 1e — 1 號應(yīng)變計的軸向應(yīng)變值。這時輸入電壓可增大，但是由于推薦應(yīng)用于電橋的電壓與電阻的平方根成比例，所以這只能增加輸出值的 倍。懸臂梁型傳感器自由端的最大撓度不能太大，否則荷重方向與梁的表面不成直角，會產(chǎn)生誤差。將式（ ）代入式（ ），可得： PWVMGV F ??? 10 （ ） 對于矩形截面， 261 hbW ?? （ ） 式中： b — 為彈性體承載面寬度； h — 為彈性體承載梁厚度。可見選擇粘結(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]。這種剩余應(yīng)力隨時間而進(jìn)行的各種釋放必然成為傳感器的隱患。 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，如：設(shè)備復(fù)雜、操作費事；加 溫溫度過高，消除內(nèi)應(yīng)力的同時，元件強度、硬度及彈性都會受到影響；溫度過低、降溫過快有可能形成新的應(yīng)力，效果又不理想。 式 ()求出的輸出電壓是由略去式 ()分母中的 11 RR? 項 (假設(shè)11RR? 1）而得的近似值。當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。當(dāng)環(huán)境溫度變化 t? 時，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。 取 0?nu ddK 時， uK 為最大，得 42 )1()1( nn ?? ，所以 1?n 時，即 21 RR? ，43 RR? 時 uK 為最大。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。 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。具有性能優(yōu)良 、蠕變小、抗腐耐溫、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性價比高等一系列優(yōu)點 ， 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)過程控制和自動檢測。經(jīng)模擬驗證分析，選用圖 所示的雙孔梁結(jié)構(gòu)形式。 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 T 處。 （ 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)變計尺寸等限制。最好是將圓柱的兩端固定或設(shè)計成雙球面，若是作不到這一點，就把應(yīng)變計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。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? 。 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。 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。 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)”。但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大 [7]。根據(jù)大量實驗證明，在電