【正文】 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。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。 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。0039。 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。 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。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。兩種效應(yīng)聯(lián)合作用，使得穩(wěn)定效果良好。 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。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。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。 原理與應(yīng)變材料的退火相試。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。 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。 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。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。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]。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。雙孔梁中瓷件的氣孔，易引起應(yīng)力集中導(dǎo)致彈性梁受載荷后氣孔周圍的實(shí)際應(yīng)力較大，從而使傳感器未到額定負(fù)荷而發(fā)生斷裂，這也是影響傳感器測量值和理論值發(fā)生偏差的主要原因之一。 （ 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。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。經(jīng)模擬驗(yàn)證分析，選用圖 所示的雙孔梁結(jié)構(gòu)形式。 圖 雙孔彈性梁結(jié)構(gòu)圖 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 25 頁 共 40 頁 （ 2）彈性體的設(shè)計(jì)和計(jì)算：彈性體是應(yīng)變式力傳感器將力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量的關(guān)鍵部件，研究結(jié)果表明，雙孔梁彈性體按剛架計(jì)算比按平橫梁計(jì)算的精確，而且橋路輸出和載荷之間的線性好、靈 敏度高。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。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(huì)產(chǎn)生誤差。 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。對于一個(gè)靈敏度為 vmv 的稱重傳感器，由于截面積變化 所 引起的非線性誤差大約為 %，所以總的非 線 性誤差為 %～ %或者 %。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 %。這時(shí)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。 （ 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。一個(gè)典型的商用稱重傳感器的額定輸出為從 到 vmv 或從 20 到 30mv （施加 10v 激勵(lì)電壓時(shí)），所以 vmv 是一個(gè)較低的輸出。 為通過公式確定 N 、 1e = 3e 、 2e = 4e = 1e? ，式中 ? 為泊松比。 既然這是一個(gè)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(jì)算： mESe ?1 （ ） mEeS 1? （ ） 式中： mE — 彈性模量 ； 1e — 1 號應(yīng)變計(jì)的軸向應(yīng)變值。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。 下面介紹其中一種利用拉伸與壓縮應(yīng)力的稱重傳感器。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。 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(shí)際輸出波形如圖 所示，如以輸出從 10％上升到 90％的這 段 時(shí)間 作為 上升 時(shí)間 kt ，則 kt = vI ， 可 測頻 率 f ＝ ，則lvlvf ?? 。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? 。目前常用的電阻系列，習(xí)慣上為 60、 1 200、 350、500、 1000Ω，其中以 120Ω最常用。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。當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一時(shí)，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。 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。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 40 頁 如果在一 定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱為應(yīng)變片的蠕變。 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。這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。 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。測定時(shí)必須按規(guī)定的標(biāo) 準(zhǔn)，例如受軸向單向力（拉或壓），試件材料泊松系數(shù)為 ? = 的鋼等。 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。 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。 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)”。由于濺射的分子具有很大的能量，不能蒸發(fā)只凝結(jié)在表面，故附著力強(qiáng)，膜的性能好 [9]。 （ 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； （ 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。 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。但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大 [7]。 下面具體介紹幾種應(yīng)變片的特點(diǎn)，見表 表 用于傳感器的各種應(yīng)變片 應(yīng)變片種類 電阻材料 電阻值 （ ? ） 靈 敏 系數(shù)（ k ） 滯后及蠕變 制造工藝 備 注 金屬絲式片 金屬絲 ＜ 1000 ~ 小 簡易 使用方便、價(jià)廉，溫度系數(shù)和 K值一致性好，可用很 長的絲，疲勞壽命長，能承受較大變形，能用多種合金材料金屬 金屬箔片式 金屬箔 ＜ 2021 ~ 很小 簡易 形狀任意，能制于各種基片上，阻值一致性好， K值溫度系數(shù)好，橫向效應(yīng)好 金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種，圖 所示為回線式應(yīng)變片。 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 。如果應(yīng)用儀器測出應(yīng)變片的電阻值變化 R? 。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)。 設(shè)導(dǎo)線在力 F 的作用下，其長度 l 變化 dl ，截面 S 變化 dS ，半徑 r 變化 dr ，電阻系數(shù) ? 變化 ?d ，因而將 R 引起變化 dR 。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)。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(jì)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)。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。利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù) [4]。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作為輸入，將其進(jìn)行放大、顯 示和記錄的電路。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(shí)應(yīng)采取溫度補(bǔ)償措施。因此，彈性膜盒是一種壓力敏感元件。由于傳感器元件輸出的信號一般較小，大多數(shù)的測量電路還包括放大電路，有的還包括顯示器，直接在傳感器上顯示出所測量的物理量 ；（ 4） 輔助電源是供給傳感元件和測量電路工作電壓和電流的器件。 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)。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。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。彈性敏感元件在感受被測量時(shí)將產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變。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。 由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，工藝過程自動(dòng)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。 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]。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng) 濟(jì)、人民生活中都占有重要地位，為此世界各國都給予了高度重視?？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)。 應(yīng)變式力傳感器用作靜態(tài)、動(dòng)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(dòng)計(jì)量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。應(yīng)變片阻值的變化可以通過后續(xù)的處理電路求得。目前，稱重傳感器幾乎運(yùn)用到了所有的稱重領(lǐng)域。 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電阻應(yīng)變式的稱重傳感器。 關(guān)鍵詞 ： 稱重傳感器，彈性體，電阻應(yīng)變片 Based on the design of resistance strain gauge load cell Abstract With the progress of technology, electronic weighing apparatus made by the weighing sensor is widely used in all