【正文】 度、重量等測(cè)量領(lǐng)域。本課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究應(yīng)變式荷重傳感器的工作原理。對(duì)于一根金屬電阻絲，設(shè)其電阻率為ρ、長(zhǎng)度為l、橫截面積為S，則在未受力時(shí)，金屬電阻絲的原始電阻為R=ρl/S。二、 荷重測(cè)量的一般方法的比較由于應(yīng)變片的變形，使其阻值發(fā)生變化，從而使電壓的輸出值發(fā)生變化，再通過(guò)基本轉(zhuǎn)換電路把力轉(zhuǎn)換成電量的形式表示出來(lái)。力敏是指對(duì)力學(xué)量敏感的一類器件或裝置。某種形態(tài)傳感器基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量 /壓力 U電量 荷重測(cè)量的一般方法1. 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片。金屬應(yīng)變式傳感器可以測(cè)量力、壓力等非電量參數(shù)。對(duì)測(cè)力傳感器而言，量程從零點(diǎn)幾牛至幾百千牛，%FS（FS為滿量程）；對(duì)測(cè)壓傳感器，量程從幾十帕至1011帕，%FS。缺點(diǎn)：在大應(yīng)變狀態(tài)中具有較明顯的非線性，且抗干擾能力較差，需要采用屏蔽措施。壓阻式傳感器就是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，—，頻率響應(yīng)好，可測(cè)300500KHz以下的脈沖壓力；；工作可靠，耐沖擊；耐震動(dòng)；抗干擾；可微型化、智能化、功耗小、體積小、壽命長(zhǎng)，可批量生產(chǎn)。3. 電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量檢測(cè)的一種裝置。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高。4. 電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種裝置，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)。壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器。壓電傳感元件是一種力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。缺點(diǎn)：無(wú)靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，價(jià)格貴，一般只用于對(duì)精度要求很高的情況中。因此本次荷重傳感器課程設(shè)計(jì)選用應(yīng)變式傳感器。1 %應(yīng)變式傳感器也稱應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的工作原理是基于導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng),將測(cè)量物體的變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。設(shè)有一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)的，截面積為S，電阻率為ρ的金屬絲，在未受力時(shí)，原始電阻為： （21）當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)ΔL，橫截面積相應(yīng)減小ΔS，電阻值ΔR的變化引起電阻的相對(duì)變化為： （22）由材料力學(xué)知： （23）其中： 沿某徑向的壓阻系數(shù)，與材料及徑向有關(guān)； E彈性模量材料所受應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)也表明，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變稱正比。敏感柵粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。 如（lb）mm2 120Ω其中：l應(yīng)變片的基長(zhǎng)；b—基寬。每條輪輻上的剪切力和外加力F成正比。應(yīng)變片(8片)。這是一種較新型的傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、滯后小、重復(fù)性及線性度好。等截面梁其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高。等強(qiáng)度梁力F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，表面上的應(yīng)變也相等，故對(duì)粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。（3） 環(huán)式傳感器環(huán)式常用于測(cè)幾十千克以上的大載荷，它的特點(diǎn)是應(yīng)力分布變化大，且有正有負(fù)，便于接成差動(dòng)電橋。（4） 柱式傳感器柱式傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。柱式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可測(cè)量大的拉壓力，最大可達(dá)107N，為了提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱式結(jié)構(gòu)。綜上所述，總結(jié)出四種彈性體的比較表如下表類型負(fù)載能力精度線性度工藝性體積輪輻式大高好較復(fù)雜較小梁式小高較好簡(jiǎn)單小環(huán)式較大高好較復(fù)雜小柱式大較高較好簡(jiǎn)單大綜合對(duì)以上各種形式的傳感器進(jìn)行比較，由于柱式傳感器具有負(fù)載能力大，精度較高，加工工藝簡(jiǎn)單，線性度較好等特點(diǎn)，并根據(jù)題目的參數(shù)要求，測(cè)力范圍：1103～1105 N，稱量精度：177。四、彈性元件彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有極為重要的地位。所以在傳感器中彈性元件是應(yīng)用最廣泛的元件。對(duì)彈性元件材料提出以下要求： (1)強(qiáng)度高，彈性極限高；(2)具有高的沖擊韌性和疲勞極限；(3)彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定；(4)熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；(5)熱膨脹系數(shù)??；(6)具有良好的機(jī)械加工和熱處理性能；(7)具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；(8)彈性滯后應(yīng)盡量小。經(jīng)過(guò)熱處理后，產(chǎn)品的機(jī)械性能更加完善，可以達(dá)到高達(dá)11001300 mpa (160190 ksi) 的耐壓強(qiáng)度。由于17－4PH不銹鋼具有以上特性，所以比較適合于用作應(yīng)變式荷重傳感器的彈性元件材料。則許用應(yīng)力：[σ]=σs/ns=109Pa /=109Pa根據(jù)σ=Eε得：[ε1]=[σ]/E=108Pa /(1011Pa)=103。絲式應(yīng)變片如圖1所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，強(qiáng)度高，但允許通過(guò)的電流較小，測(cè)量精度較低，適用于測(cè)量要求不很高的場(chǎng)合使用。 金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片該類應(yīng)變片的敏感柵是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。（4）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。箔式應(yīng)變片與絲式應(yīng)變片比較，其面積大，散熱性好，允許通過(guò)較大的電流。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，可在197～317℃溫度下工作。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。12088132由上得：應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=因?yàn)棣s=KRε1=120103=根據(jù)Ksεs=ΔRs/Rs，且Ks=，ΔRs=，Rs=120Ω，所以εs=ΔRs/Rs/Ks=，則[ε2]=εs=4103，[ε1]= 103，因?yàn)閇ε1]＜ [ε2]，所以應(yīng)取[ε1] =進(jìn)行計(jì)算。令外力均勻地作用于筒壁上，在筒壁上取一單元面積ABCD，在兩個(gè)方向上都受壓縮作用。設(shè)：d為圓筒的內(nèi)徑；l為圓筒的長(zhǎng)度；σ為圓筒壁的厚度，則（42）作用于圓筒底部軸向力P為：承受軸向壓力P的為圓筒的橫斷面積（圓環(huán)面積）因此，（43）橫向力（作用于直徑平面上的壓力）P1 ，是由縱向截面的支反力N來(lái)平衡。5. 受壓軸截面面積的計(jì)算,彈性元件基本尺寸確定根據(jù)任務(wù)書可知：測(cè)