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基于電阻應(yīng)變片的稱重傳感器設(shè)計-畢業(yè)設(shè)計-wenkub.com

2025-02-22 12:09 本頁面
   

【正文】 當(dāng)梁上下面溫度一致, BR 與 1R 可起溫度補償作用。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。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 34 頁 共 40 頁 采用差動電橋,如圖 ,在試件上安裝兩個工作應(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 (假設(shè)11RR? 1)而得的近似值。 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。應(yīng)變片工作時,其電阻變化Δ R,此時有不平衡電壓輸出。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,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。但是,在貼片后進行的疲勞加載,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)力隨時間而進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,以及防護與屏蔽等。 將涂好膠的應(yīng)變計與試件,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)變計多采用常溫、指壓固化條件的粘結(jié)劑;非金屬基應(yīng)變 計若用在高溫工作時,可將其先粘貼在金屬基底上,然后再焊接在試件上??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]。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。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際應(yīng)力較大,從而使傳感器未到額定負荷而發(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)計說明書 第 25 頁 共 40 頁 ( 2)彈性體的設(shè)計和計算: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算比按平橫梁計算的精確,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 T 處。對于一個靈敏度為 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 %。對于一個靈敏度為 vmv 的稱重傳感器,這種固有的非線性大約為 %。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。 ( 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。一個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 激勵電壓時),所以 vmv 是一個較低的輸出。 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。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。 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 (因為縱向應(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 ?? 。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,都認為是疲勞損壞: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,使其承受恒定的機械應(yīng)變,其電阻值隨時間而變化的特性,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)變片的機械滯后 如圖 所示,在同一機械應(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,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較圓斷面的為大,故粘合中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 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,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)大量實驗證明,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)時期,由于電子技術(shù)的進一步發(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)時航空技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻。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)。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、測量速度快等特點而廣泛應(yīng)用于航空、機械、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),必要時應(yīng)采取溫度補償措施。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。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)變計安裝在彈性體上時,在外載荷作用下,彈性體的變形與其引起電阻應(yīng)變計的電 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)用范圍的不斷擴大,在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng) 濟、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。可以說,沒有精確可靠的傳感器 ,就沒有精確可靠的自動檢測和控制系統(tǒng)。 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。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,稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領(lǐng)域。 本文設(shè)計了一個電阻應(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
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