应变式称重传感器设计(已排版).doc

应变式称重传感器设计 摘 要 粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的准备。设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（如果可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。 在某些工业中，如航天工业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很容易修正的。如果称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并测量出这些影响量所造成的误差。如果某部分结构（如接头、销子、压杆）用来测量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。 称重传感器设计包括许多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。 在过去十年中，计算机技术的发展改变了称重传感器的设计、制造与记录方式，例如在电阻应变计被安装后，所有的称重传感器都有一个原始的不平衡（当没有载荷作用时，也有输出信号存在）。通常零点调整电阻被应用于商业称重传感器，以便消除这种不平衡。运用计算机程序，零点不平衡数据很容易被除掉。除了零点调整电阻外，在精密的商业称重传感器中安装了许多电阻，便于补偿诸如零点和灵敏度温度影响。如果在记录数据的同时，称重传感器的温度也进行了测量，并且当这个称重传感器被标定时，温度造成的误差已被测定，那么就应该运用计算机程序修正最终数据。商业称重传感器制造商不为计算机提供用于修正原始不平衡或温度影响的数据，因为他们不想局限市场。商业称重传感器不安装零点平衡及温度补偿电阻会节省大量资金，尤其是需求量很大时效果更明显。 关键词：传感器，电阻应变式，称重，误差 摘 要 1 第一章、传感器简介 3 1.1应变式称重传感器的发展 3 1.2 应变式称重传感器的技术创新 4 第二章、电阻应变式称重传感器的原理 6 2.1 称重传感器的组成部分 6 2.2 工作原理 6 2.2.1应变片的电阻应变效应 6 2.2.2应变灵敏度 7 2.2.3贴片式应变片应用 8 第三章 电阻应变片的设计 10 3.1 应变片的工作原理 10 3.2 应变片的结构选择 10 3.2.1 电阻丝应变片 10 3.2.2 箔式应变片 11 3.2.3半导体应变片 11 3.3 应变片的材料选择 12 3.3.1 电阻敏感栅材料选择 12 3.3.2 基底、引出线材料选择 13 3.4 应变片的参数 14 3.4.1 应变片基长 14 3.4.2应变片的电阻值 14 3.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限 15 3.5传感器结构设计： 15 3.6弹性元件设计 16 3.6.1 材料选择： 16 3.6.2材料的热处理和稳定性处理 16 3.6.4主要参数的设计 17 3.7应变片的粘贴 18 第四章 传感器灵敏弹性元件的设计 19 4.1 弹性元件的选择 19 4.2 双孔梁受力分析 19 4.3 弹性元件材料选择 22 4.4 双孔梁的尺寸选择 23 第五章 变换检测电路设计 24 5.1 桥路的设计 24 5.2 放大电路的设计 25 5.3 检波、滤波电路的设计 26 5.4 其他电路的设计与选择 27 第六章 传感器的工艺设计 27 6.1应变片的粘贴工艺 27 6.2传感器的封装 28 第七章 误差源分析以及处理 28 第八章 小结 30 参考文献 31 第一章、传感器简介 1.1应变式称重传感器的发展 1938年美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons(西蒙斯)和麻省理工学院教授A.Ruge(鲁奇)分别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计，以他们名字的字头和各有二位助手命名为SR-4型，由美国BLH公司专利生产。为研制应变式负荷传感器奠定了理论和物质基础。 1940年美国BLH公司和Revere公司总工程师A.Thurston(瑟斯顿)利用SR一4型电阻应变计研制出圆柱结构的应变式负荷传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式负荷传感器的创始者。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产，至今已有60多年的历史。 前30多年，是利用正应力(拉伸、压缩、弯曲应力)的柱、筒、环、梁式结构负荷传感器的一统天下。在此时期内，英国学者杰克逊研制出金属箔式电阻应变计，为负荷传感器提供了较理想的转