【正文】 對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過(guò)程控制中的一種必需的裝置。目前，稱重傳感器幾乎運(yùn)用到了所有的稱重領(lǐng)域。電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把 這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。應(yīng)變片阻值的變化可以通過(guò)后續(xù)的處理電路求得。如果沒(méi)有“感官”感受信息，或者“感官”遲鈍，都難以形成高精度、高反應(yīng)速度的控制系統(tǒng)。 應(yīng)變式力傳感器用作靜態(tài)、動(dòng)態(tài)條件下測(cè)力或稱重，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)與控制、自動(dòng)計(jì)量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。傳感器是測(cè)量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。可以說(shuō)，沒(méi)有精確可靠的傳感器 ，就沒(méi)有精確可靠的自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)。但是如果沒(méi)有各種精確可靠的傳感器去檢測(cè)各種原始數(shù)據(jù)并提供真實(shí)的信息，那么，電子計(jì)算機(jī)也無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。 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(guó)民經(jīng) 濟(jì)、人民生活中都占有重要地位，為此世界各國(guó)都給予了高度重視。據(jù)有關(guān)資料介紹，在世界范圍內(nèi)傳感器的計(jì)量逐年上升，世界市場(chǎng)傳感器銷售額 1985年為 50 億美元， 1990 年增加到 155 億美元，如今已突破 200 億美元，年平均增長(zhǎng)率為 8%，品種已超過(guò)二萬(wàn)種。 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(cè)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]。但是它們的共性是利用物理定律和物質(zhì)的物理特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量。 由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，工藝過(guò)程自動(dòng)化程度越來(lái)越高，因此對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的精度提出更高的要求。目前我國(guó)以研制出精度優(yōu)于 %傳感器。我們的理解是：傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。 我們可以對(duì)傳感器作字面上的解釋：傳感器的功能 是一感二傳，即感受被測(cè)信息并傳送出去 [2]。彈性敏感元件在感受被測(cè)量時(shí)將產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變。這樣，通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，就可以確定被測(cè)量量的大小了。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。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 4 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 柱式力傳感器原理圖 圖 梁式力傳感器原理圖 上面兩個(gè)例子簡(jiǎn)單說(shuō)明了傳感器的工作原理，其中圖 是柱式力傳感器原理圖。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。 同樣的道理圖 是梁式力傳感器的簡(jiǎn)易原理圖，彈性元件為一端固定的懸臂梁，力作用在自由端，順著 l 的方向分別貼上 1R ， 2R ， 3R ， 4R 電阻應(yīng)變片。 上述這兩種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、應(yīng)變片容易粘貼、靈敏度高等特點(diǎn)。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測(cè)量電路 3 部分組成，有時(shí)還需加上輔助電源 ， 其原理如圖 所示。由于傳感器元件輸出的信號(hào)一般較小，大多數(shù)的測(cè)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(cè)量的物理量 ；（ 4） 輔助電源是供給傳感元件和測(cè)量電路工作電壓和電流的器件。例如鉑式電 阻能根據(jù)感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對(duì)溫度升降做出的響應(yīng)，所以鉑式電阻就是一種溫度敏感元件。因此，彈性膜盒是一種壓力敏感元件。也就是說(shuō)，敏感元件的輸出響應(yīng)最好單值地取決于輸入被測(cè)變量。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。即使是非線性關(guān)系，只要這種關(guān)系不隨時(shí)間而變化，也可以滿足使用的基本要求； （ 2）傳感元件：傳感器不只是一般的敏感元件，它的輸出響應(yīng)還應(yīng)該必須是易于傳送的物理量，所以就要用到傳感元件。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(cè)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。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 7 頁(yè) 共 40 頁(yè) 3 電阻應(yīng)變片的相關(guān)知識(shí) 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理 電阻式傳感器的工作原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值，通過(guò)測(cè)量此電阻值達(dá)到測(cè)量非電量的目的。利用電阻式傳感器可以測(cè)量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù) [4]。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器是一種由敏感柵和彈 性敏感元件組合起來(lái)的傳感器。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(jiǎn)單、使用方便、測(cè)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。另外，由于粘結(jié)劑不能在高溫條件下使用，這也使它的應(yīng)用范圍受到限制。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(shuō)明書 第 8 頁(yè) 共 40 頁(yè) 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(guó)物理學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)了金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。這就是電阻應(yīng)變片賴以工作的物理基礎(chǔ)。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(guó)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(duì)當(dāng)時(shí)航空技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。下面來(lái)求導(dǎo)體的電阻變化與變形之間的量的關(guān)系，即金屬材料的靈敏系數(shù)。 設(shè)導(dǎo)線在力 F 的作用下，其長(zhǎng)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 。由（ ）式可 知，金屬材料的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素的影響；一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸變化所引起的，既（ 1+2? ）項(xiàng)；另一個(gè)是受力后材料的電阻率發(fā)生變化而引起的，即 ???d 項(xiàng)。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(duì)變化與應(yīng)變是成正比的，即 0K 為一常數(shù)。 應(yīng)變片測(cè)試原理 用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力，是將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)對(duì)象上。如果應(yīng)用儀器測(cè)出應(yīng)變片的電阻值變化 R? 。 ??E? （ ） 式中： ? — 試件的應(yīng)力； ? — 試件的應(yīng)變；可以得到應(yīng)力值 ? [5]。 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(zhǎng)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 。此外，應(yīng)變片的工藝和原理還被移植到其他領(lǐng)域，產(chǎn)生了許多性能優(yōu)良的特殊片，如高精密電阻、疲勞片、裂紋片、測(cè)溫片及傳感 器補(bǔ)償片等。 下面具體介紹幾種應(yīng)變片的特點(diǎn)，見(jiàn)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(jiǎn)易 使用方便、價(jià)廉，溫度系數(shù)和 K值一致性好，可用很 長(zhǎng)的絲，疲勞壽命長(zhǎng)，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(jiǎn)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。引線多用 ～ 直徑的鍍錫銅線與敏感柵相接。但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大 [7]。絲材加工及處理技術(shù)比較成熟，靈敏系數(shù)比較一致，溫度系數(shù)可選擇適當(dāng)?shù)暮辖鸪煞旨盁崽幚磉M(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可達(dá)到自補(bǔ)償。 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。制作方法除開(kāi)光化學(xué)腐蝕外，也可采用精密沖壓法，沖壓法與腐蝕法比較，柵條無(wú)毛刺，性能比較一致。 （ 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(cè)量要求； （ 2）敏感柵截面為矩形，其表面積對(duì)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(shuō)明書 第 12 頁(yè) 共 40 頁(yè) 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(guò)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。其原理，雖早在五十年代初就有人提出過(guò)，但遇到多方面的工藝?yán)щy，制成的薄膜穩(wěn)定性差無(wú)法實(shí)用 ，直到最近十余年才有所突破。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]。尤其突出的是：陶瓷絕緣代替了膠接，既避免了復(fù)雜的分選和粘貼技術(shù)，而且對(duì)膠所引入 的漂移、疲勞等弱點(diǎn)都有很 大的克服。 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)”。常用的半導(dǎo)體應(yīng)變片系用鍺和硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵，一般為單根狀，根據(jù)壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體和金屬絲一樣可以把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 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(jiàn)表 所示。膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚約 。 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。與敏感柵點(diǎn)焊相接。測(cè)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。實(shí)驗(yàn)表明，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù) k 值恒小于電阻絲的靈敏系數(shù) 0k ，其原因除了粘結(jié)層傳遞變形失真外，還存在有橫向效應(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。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應(yīng)變由 + x? 變化到 y? 。這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。當(dāng)不能滿足測(cè)量精度要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要的修正。 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(duì)應(yīng)的 RR? 值不一致。產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因，主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的，為了減小滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在新安裝應(yīng)變片后，做三次以上的加卸載循環(huán)后再正式測(cè)量。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 16 頁(yè) 共 40 頁(yè) 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。這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來(lái)衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中其意義更為突出。 應(yīng)變片在制造過(guò)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 粘貼劑和基底材料 圖示 為提高 j? 值，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料，基底和粘結(jié)劑的厚度不宜太大，并經(jīng)適當(dāng)?shù)墓袒幚?。?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(hào)波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。工作電流大，應(yīng)變片輸出信號(hào)大，靈敏度高。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。對(duì)于導(dǎo)熱性能差的試件，例如塑料、陶瓷、玻璃等，工作電流要取小些。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。 電阻應(yīng)變片在測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)考慮其動(dòng) 態(tài)響應(yīng)特性。設(shè)應(yīng)變的變化為 ft??? 2sin0? ，應(yīng)變?cè)谠嚰休S向傳播，有 vtx? ， tv ?? ，所以txt ?? ，代入應(yīng)變表達(dá)式，則應(yīng)為 txf ???? 2sin0? 。 圖 應(yīng)變波與應(yīng)變片在波最大幅值的瞬時(shí)情況 應(yīng)變波長(zhǎng)為 ? ，應(yīng)變片的基長(zhǎng)為 I ，其兩端點(diǎn)的坐標(biāo)為 )2()4(1 lx ?? ? ，中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 18 頁(yè) 共 40 頁(yè) )2()(2 llx ?? ? ,此時(shí)應(yīng)變片在基長(zhǎng) I 內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變 0? 達(dá)到最大值為 ???????????????? s i n)2c o s2( c o s22s i n012021021 ?????? ? xxxxx d xxxp （ ） 因而應(yīng)變波幅測(cè)量的相對(duì)誤差 r 為 lr p ???? ????? ?? s in00