电阻应变式称重传感器设计

武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书

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前 言

传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号（通常为电信号）的器件或装置，传感器是发展仪器仪表、自动控制和广泛应用计算机的前提条件。《传感器原理与应用》课程主要研究各类传感器的工作原理、简单结构以及实际的应用。

本课程设计时间为两周，课程设计旨在培养学生的综合应用能力，通过本实践环节，使学生加深对理论知识的理解，加深对传感器性能、检测电路的形式与配接、信号的分析与处理等内容的了解，使学生对测控系统的应用与设计有感性认识，为后续课程、毕业设计和工程实践服务。

本文设计了一个电阻应变式的称重传感器。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩以及位移、加速度等参数的测量。目前，无论在数量上还是在应用领域上，与其他传感器相比都具有重要的地位。其主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定，可靠，测量速度快，适合静态、动态测量。

尚延臣 2009年6月23日

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目 录

第 1 章 电阻应变式称重传感器的原理 ........................... 1 1.1 称重传感器的组成部分 ................................................ 3

1.2 工作原理 ............................................................ 3 第 2 章 电阻应变片的设计 ................................. 4 2.1 应变片的工作原理 .................................................... 5

2.2 应变片的结构选择 .................................................... 5

2.2.1 电阻丝应变片 ................................................... 5 2.2.2 箔式应变片 ..................................................... 6 2.2.3半导体应变片 ................................................... 6 2.3 应变片的材料选择 .................................................... 7

2.3.1 电阻敏感栅材料选择 ............................................ 7 2.3.2 基底、引出线材料选择 ........................................... 8 2.4 应变片的参数 ........................................................ 9

2.4.1 应变片基长 ..................................................... 9 2.4.2应变片的电阻值 ................................................. 9 2.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限 ........................... 9 第 3 章 传感器弹性元件的设计 .............................. 11 3.1 弹性元件的选择 ..................................................... 11 3.2 双孔梁受力分析 ..................................................... 11 3.3 弹性元件材料选择 ................................................... 14 3.4 双孔梁的尺寸选择 ................................................... 15 第 4 章 变换检测电路设计 ................................. 17 4.1 桥路的设计 ......................................................... 17

4.2 放大电路的设计 ..................................................... 18 4.3 检波、滤波电路的设计 ............................................... 18 4.4 其他电路的设计与选择 ............................................... 19 第 5 章 传感器的工艺设计 ................................. 20 5.1应变片的粘贴工艺 .................................................... 20

5.2传感器的封装 ........................................................ 21 5.3 传感器装配 ......................................................... 21 第 6 章 误差源分析以及处理 ................................ 21 第 7 章 小结 ......................................... 23 参考文献·····································

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电阻应变式称重传感器设计

第 1 章 电阻应变式称重传感器的原理

电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重 , 在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。它是电子衡器的核心部件。它的质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。在实际使用中 , 由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响 , 很容易发生故障 ,影响电子衡器计量数据的准确及稳定的运行。因此 ,了解称重传感器的基本原理及故障原因 , 熟练掌握故障的分析判断技术 , 是快速准确地处理电子衡器的故障 , 保证其准确、稳定运行的关键。

1.1 称重传感器的组成部分

称重传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。应变片是一种传感元件 , 它的作用是将变形转变成电阻变化;弹性体是一个有特殊形状的结构件,它的主要作用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。

1.2 工作原理

称重传感器的基本电路如图1所示

可以推出:

U0?(R2R4?R1R3)Ui/(R1?R2)(R3?R4)

式中 R1、R2、R3、R4 为应变片电阻; Ui为传感器的输入信号; U0 为传感器的输出信号。 当R2R4?R1R3 时 , 我们称之为电桥平衡 , 这时

图 1 基本电路图

称重传感器的输出电压U0= 0mV。

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物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器 , 称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形 , 使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形 , 电阻应变片变形后 , 它的阻值将发生变化 (增大或减小) 。再经相应的检测电路 , 把这一电阻变化转换为电信号 (电压或电流) 输出 , 从而完成将外力变换为电信号的过程。 设R1=R2=R3=R4=R

当受到重力作用后,传感器的应变片电阻发生变化,假设各桥臂阻值变化相同,变量为

?R , 即: R1、R3分别减小?R , R2、R4分别增大?R 时

可以推出传感器的输出电压为: U0??RUi/R

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第 2 章 电阻应变片的设计

2.1 应变片的工作原理

电阻应变敏感元件的转换原理是基于导线的电阻-应变效应。由金属导体的电阻定律知，对于长度为L、截面积为A、电阻率为?的金属丝，其电阻

R??L/A

结合材料的泊松比定律，经数学变换得金属丝电阻应变特性

dR/R?(1?2?)?x?d?/?

则金属丝灵敏系数

Ks?故有

dR/R?x?(1?2?)?d?/??x

?R/R?Ks?x

另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片

?R/R?K?x

其中KKs

2.2 应变片的结构选择

应变片的结构形式很多，但其主要组成部分基本相同。其中较为典型的是丝式、箔式和半导体式。

2.2.1 电阻丝应变片

此丝式结构应变片的结构图如图2所示

图2 电阻丝应变片

1—基底 2—敏感栅 3—覆盖层4—引线

此丝式结构应变片的优点：制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。缺点：回线式应

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变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。

2.2.2 箔式应变片

此箔式应变片的结构图如图3所示

图 3 箔式应变片结构图

箔式应变片结构优点：

（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制作成任意形状以适应不同的测量要求； （2）粘合面积大；

（3）敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好； （4）散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号； （5）敏感栅弯头横向效应可以忽略； （6）蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。 缺点：工艺制作有些复杂。

2.2.3半导体应变片

此半导体应变片结构如图4所示

图4 半导体应变片结构图

1—基底 2—半导体敏感条 3—外引线 4—引线连接片 5—内引线

此结构式传感器优点：灵敏系数大，动态特性好

缺点：重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。

总结以上典型结构的优缺点比较，选择箔式应变片较好，所以我决定选择箔式应变片作为敏感元件，并且选择如图5所示结构的箔式应变片

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图 5 箔式应变片结构图

2.3 应变片的材料选择

电阻应变计主要由电阻敏感珊、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分

组成。基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感栅和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。应变计结构如图6所示

图 6 所选应变片结构图

1—覆盖层 2—基底 3—引线 4—粘合剂 5—敏感栅

2.3.1 电阻敏感栅材料选择

敏感栅合金材料的选择对制造电阻应变计性能好坏起着决定性的作用，因此

它的材料选择要求如下：

（1）有较高的灵敏系数，并且在较大的应用范围内保持不变； （2）有高的和稳定的电阻率；

（3）电阻温度系数小，电阻—温度间的线性关系和重复性好，并有足够的热稳定

性；

（4）机械强度高，加工性能和焊接性能良好，与引线材料接触电势小； （5）电阻变化率?R/R与机械应变?具有良好而又宽广的线性关系；

（6）抗氧化、腐蚀性能强，无明显机械滞后。

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目前没有一种金属材料能满足上述全部要求。因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的电阻合金大致有以下几种：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金属等。通过查阅资料以及对这几种材料的性能、成本对比，我选择康铜作为敏感栅材料。康铜的性能如下:

合金成分/ %：Cu55,Ni45 灵敏系数Ks：1.9~2.1 电阻率：0.45~0.54 电阻温度系数: ±20*10-6 线膨胀系数: 15*10-6 对铜热电势/μV/℃: 43 最高使用温度/℃: 静态:250 动态:400

选康铜作敏感材料的理由如下：首先这种材料最为常用,电阻温度系数小且稳定，同时它的Ks值对应变值的稳定性高。不但在变形的弹性范围内Ks值保持不变，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。所以用康铜作为敏感栅的应变计灵敏系数K=2，且其测量范围大。同时对康铜用不同的方法加工，不同的热处理，或者改变合金成分的比例，可以改变它的电阻温度系数(由负值到正值)，利用这一特性可以制造温度补偿电阻应变计。而且该材料制作的应变片尤适合长时间、大应变测量。

2.3.2 基底、引出线材料选择

基底的作用是固定应变计的敏感栅，使它保持一定的几何形状，并使电阻敏感栅与弹性元件相互绝缘。应变片基底越厚，基底材料弹性模量越小，引起的蠕变越大。通常选用基底薄、基底材料的弹性模量较高的应变片，取基底厚度为0.03～0.05mm。对基底材料性能的要求是：

（1）机械强度高，挠性好； （2）粘贴性能好； （3）电绝缘性能好； （4）热稳定性和抗湿性好； （5）无滞后和蠕变。

玻璃纤维增强基底应变计长期稳定性好、蠕变小、滞后小、耐热性好、疲劳寿命高，最适用于高精度测力或称重传感器上，因而我们选用玻璃纤维布作为基底材料。 引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线，一般要求引出线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。常温应变计引出线多用镀银紫铜丝或铜带。引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。我选用了康铜材料的敏

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感栅，且其使用条件无特殊要求，故采用银铜作引出线。

2.4 应变片的参数

2.4.1 应变片基长

为了使测量误差减小，将

sin?l0?l0/??展开为级数，并略去高阶小量后，可得

221??l?1??lf?e??0???0?6???6???

粘贴在一定材料试件（?为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长l0和频率f的增加而增大。因而在设计、应用应变片时，就可按上式给定的e、l0、f三者的关系，根据给定的精度?e?，来确定合理的l0或工作频率fmax，即

?l0?lmax?6?e?? ?fmax?6?e??l0或 其基长l0应尽量选取短的，这样可以更真实地测出被测部位的应变值，以提高测量精度。

对于钢材，??5000m/s，若令精度?e??0.5%，最高工作频率fmax?25kHz代入上式可得

lmax???6?e??6[e]?1.1cm?l0f?

故我取应变片栅长l0?1cm。

2.4.2应变片的电阻值

应变片的电阻值是指未安装的应变片，在不同的外力作用下，在室温条件下测定的电阻值，也称为原始电阻值，单位为?。应变片电阻值国内标准有：60、120、350、600和1000?等各种阻值，目 前传感器生产中大多数选用120 Ω 或350 Ω 的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器长期使用的稳定性。因此，在考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。我选用阻值为120Ω的应变片。

2.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限

绝缘电阻是指敏感栅与基底之间的电阻值，绝缘电阻的降低将导致测量灵敏度

的下降，并带来测量误差，产生零点漂移等。因而要尽量选用基底绝缘性能好的应变

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10计和粘结剂以提高绝缘电阻。绝缘电阻值一般大于10?。

允许电流是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。它与应变本身、试件、粘结剂和环境等有关。要根据应变片的阻值和应用的电路等情况来计算。为了保证测量精度在静态时允许电流一般为25mA，在动态测量时允许电流可达75～100mA，箔式应变片允许电流较大。

应变极限对于已安装好的应变计，在一定温度下，指示应变与被测试件真实应变的相对误差不超过一定值（一般为10%)时，所能测量的最大真实应变值称为应变极限。我们要求应变片的应变极限至少要大于1000×10-6。

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第 3 章 传感器弹性元件的设计

3.1 弹性元件的选择

电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式 柱式、筒式和环式 、弯曲式梁式和剪切式三大类。为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度 ,将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，双孔梁就是其中有代表性的一种。

双孔梁的结构如图7所示,在板状梁上有两个孔 ,在梁的端部有集中力作用时 ,孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的内壁 ,应变片处于相反的应力区内,当 和 的变形为拉伸时 ,和 为压缩变形 ,四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。另外，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好 ,滞后小。根据应力分布图可以看出 ,受力点位置变化时 ,一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。

图7 双孔梁结构图

在称重和测力领域 ,经常采用拉压式和弯曲式应变传感器 ,该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平 ,但由于拉压式称重测力传感器的高度直接影响精度和横向稳定性 ,而且力点移动对输出信号有影响 ,拉压对称性差 ,尤其是当安装条件和标准条件不一致时 ,引起的误差更难估计。而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区 ,高度小 ,对加载方式和受力点移动不敏感 ,且抗偏心、抗侧向力 ,所以我选用的称重传感器内部采用双孔梁作为弹性元件。而近年来发展起来的梁式剪切称重测力传感器虽然消除了受力点变化对输出的影响 ,性能优良,但弹性体结构复杂 ,贴片也较困难 ,故本设计没有采用。

3.2 双孔梁受力分析

力P作用在理想位置O处如图8所示

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图 8 受力分析图

在图8所示的结构中，可以把弹性体看作是上、下对称的平行梁式结构，该结构属于3次超静定问题。即此结构上的未知约束反力的数目比能列出的独立静力平衡方程的数目多三个。由理论力学可知：“限制物体某些运动的条件称为约束”。物体与约束之间相互作用着力，约束给物体的力限制物体的某些运动。“约束给被约束物体的力称为约束反力”。例如单悬臂梁结构见图9(a)，其一端固定，另一端为自由端。当自由端作用力P时，固定端约束该梁在水平、垂直方向的移动及相对转动。固定端给横梁的约束用约束反力X、Y、

M'表示。如图9(b)所示。取坐标系x0y，此力系为平面一般力系，能列三个独立平衡方程

来求解三个约束反力。即：

?x?0 X=0

?y?0 Y?P?0,Y?P ?M此结构为静定结构。

根据上面分析，我们可将图8的结构简化为图9(a)所示的

图9 装置受力简化结构图

计算简图。在上、下梁的固定端作用六个约束反力，它们分别 是：

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0?0 M'- PL =0, M'?PL

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X1、Y1、M1（作用在上梁） X2、Y2、M2（作用在下梁）

此力系仍是平面一般力系，仅用静力平衡方程只能解出三个约束反力，其余三个约束反力需用材料力学办法才能求解。求解过程较复杂，我只引用其结论，在力P单独作用下， 当t1/t2很小时，有： X1＝X= PL/2H(H为上下臂梁的高度)

Y1=Y2=P/2 M1=M2=PL/4

载荷P及约束反力均为作用在梁上的外力，要讨论梁的变形须分析作用在梁上各横截面上的内力。由于此结构上下对称，且结构参数均相同，所受外力也相同，我只研究上梁任一横截面上的内力。

用材料力学的分析方法，为显示出截面上的内力，沿面aa假想地把梁分成两部分，并以左段为研究对象。如图10(b)所示

图 10 材料截面受力图

由于原来的梁处于平衡状态，所以梁的左段仍应处于平衡状态。作用于左段上的力，除外力X1、Y1、M1外，在截面aa上还有右段对它的作用内力，把这些内力、外力分别投影于x轴、y轴上，其总和应等于零。 由?x?0，得：

N?X1?0 N?X1 （横截面aa上的轴力）

由?y?0，得：

Y1?Q?0 Q=Y1 （横截面aa上的剪力）

若把左段上的所有外力和内力对截面aa的形心O取矩 ，其力矩总和应等于零。一般说，

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这就要求在截面aa上有一个内力偶矩M， 由?M0?0得：

Y1x?M1?M?0

因为在外力作用下，变形主要产生在梁深最小的截面附近，因此可以认为截面A-A在变形后仍保持为平面且该截面的转角不影响截面右边的应力场，那么令A-A截面的转角为零。可以认为左段上的约束反力作用在A-A截面上。由于轴力和剪力对梁的变形影响很小，故在此仅讨论弯矩M所产生的变形。由上式得出：

M?Y1x?M1

将M1?PL/4 和Y1?P/2 代入上式得：M??PL/4?Px/2 x =0时， M??PL/4 x = L/2时，M?0 x ＝L时， M?PL/4

根据材料力学对弯矩的符号规定：在图11(a)所示的变形情况下，弯矩为正；反之为在图11(b)所示的变形情况下，弯矩为负。由此分析可画出上、下梁的弯矩图，见图5。显然在上、下横梁承受的弯矩情况完全一致。因为它们具有相同的结构参数，故变形情况相同。横梁左右两部分的结构参数及变形量相同，但弯曲方向相反。正弯矩产生的应力在中性轴以上为压应力，在中性轴以下为拉应力如图11(a)所示；负弯矩产生的应力在中性轴以上为拉应力，在中性轴以下为压应力如图11(b)所示。

图 11 弯矩产生的拉、压应力

3.3 弹性元件材料选择

在任何情况下，弹性敏感元件应该保证具有好的弹性特性、足够的精度和稳定性，在长期使用中和温度变化时，都应保持稳定的特性，因而对材料的基本要求有以下几个方面：

（1）弹性滞后和弹性后效要小；

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（2）弹性模量的温度系数要小； （3）线膨胀系数要小并且要稳定； （4）有良好的机械加工和热处理性能； （5）弹性极限和强度极限要高。

弹性元件常用几种材料的机械、物理性能如表3--1所示

表3--1 几种常用材料的机械、物理性能 名称 牌号 弹性模量E 2．08 105 N/mm2 抗拉强度σb N/mm 屈服强度σ0.2 N/mm 线膨胀系数α 10-6/℃(0~100℃) 弹性模量的温度系数αE（10-4/℃） 材料密度ρ 7．80 7．85 2.3 2．78 －2．0 －3．0 -5.3 －6．9 11．4 11．0 23．1 22．7 22结构钢 40CrNiMo 30CrMnSiNi2A 30CrMnSiA 铝合金 LC4 LY12 2．10 1．98 0．71 0．71 1320 1600 1100 580 490 1260 850 500 360 比较这几种材料我发现结构钢中30CrMnSiA则是多用于制造小尺寸的弹性元件，其淬火时的淬透性差，而40CrNiMo与30CrMnSiNi2A在很多方面性能均相似，但40CrNiMo是测力传感器弹性元件最常用的材料. LC4和LY12都属于硬铝合金，它们均适合制造小量程测力传感器及动态传感器的弹性元件。因而我最终选用LC4材料作为弹性元件的材料。

3.4 双孔梁的尺寸选择

设贴应变片处的梁孔的截面的宽度为b,高度为h 则W?bh2/6 而E=0.71Gpa K=2.2

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由于此传感器的量程为0-50N

在四处贴应变处最大的应变为?1?(PL/2?M)/EW其中Pmax=50N M?PL/4 假设暂定 L2=120mm L=80mm b=44mm h=3mm H= 46mm 则W=66 代入式子?1?(50?120?M)/EW得: ?1=1494×10?6< 1500×10?6 符合要求。

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第 4 章 变换检测电路设计

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等。

4.1 桥路的设计

由于电阻应变敏感元件的温度特性不完全相同，弹性元件各处的材料性能也有差异，当温度变化时，电桥就会有输出，造成测量误差，主要有两主要因素造成的：

（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变

（2）试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，式应变片产生附加应变

它有两种现象，一种是不受载荷时，温度变化，电桥就有输出，成为“零漂”；另一种是在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度变化而变化，称为“动漂”。

因此，在桥路设计时应将这些因素考虑在内。于是我就设计交流全桥式等臂电桥电路。

图 12 全桥式等臂电桥电路

初始状态：R1=R2 R3=R4 当应变片感受到应变时电桥输出电压

U0?Ui?R1/R1

由3.2节知：如果把应变片组成全桥式等臂电桥电路路，如图12所示，桥路输出为：

U0?UiK(?1??2??3??4)/4?UiK? (1)

?1?(PL2?M)/EW?2?(PL1?M)/EW

?3??(PL2?M)/EW?4??(PL1?M)/EW带入(1)式 得: U0?UiKPL/2EW

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其中：K为电阻应变片的灵敏系数；?为力P作用下贴片处的应变量。 采用此电桥电路的理由如下：

（1）此类电桥电路的灵敏度高，是单一工作应变片工作时的4倍 （2）输出输入呈线性，没有非线性误差

（3）能够温度补偿，大大减小因温度而造成的误差

4.2 放大电路的设计

由于此传感器的电桥输出阻抗很高，这就需要一个输入阻抗同样很高的放大电路与之匹配，并且此放大电路的输出阻抗应该较小。据此，我选择设计双运放高共模抑制比同相串联结构放大电路，如图13 为获得零共模增益，

图 13 同相串联结构放大电路

应使 R1/R2?R3/R4 电路的差动闭环增益为： Kd?1?R3/R4

确定了P=50N K=2.2 L=80mm E=0.71Gpa W?bh2/6 =66 代入公式U0?UiKPL/2EW得: U0?77.5Ui?10?5

故当输入Uimax?12V时 U0?8.54mv

因此要得到足够的功率去推动指示仪表或记录器，若经放大电路输出的信号最大值

Uimax?12V 则此放大电路的增益Kd?2?103/8.54?234 由于Kd?1?R3/R4 放大部分的增益设为117

则 R3/R4=116 取R3=100Ω R4=11.6kΩ 那么对应的R1=11.6kΩ R2=100Ω

4.3 检波、滤波电路的设计

经过放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原为被检测应变信号的波

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形。而一般的检波器只有单向的电压输出，不能区别拉压应变信号。因此，我采用能克服上述缺点的相敏检波器，它可以有双向信号输出，能反映出应变的拉或者压。 其电路如图14

图 14精密整流型全波相敏检波电路

其放大增益设为1

''则 对应的电阻阻值为：R3?2R3?2R4?240? R2?R1?R2?120? C?1?f

由相敏检波电路输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤掉，方能得到被检测应变信号的正确波形。一般用电容，电感组成二型低通滤波器。

对滤波器的特性要求，要考虑到和前级相敏检波电路的匹配，又要考虑和后级记录器的匹配。由于它要滤去高频波中频率最高分量，即是载波频率?，而一般被测应变信号频率比?小很多，故滤波电路的截止频率只要在（0.3~0.4）?，就可满足频率特性要求。

所以我在这里选用压控电压源型二阶低通滤波电路，电路如图 15

?0?1/R1R2C1C2

图 15 压控电压源型二阶低通滤波电路

其放大增益Kf?2 而载波信号频率定为200HZ 则此滤波器的截止频率为60~80HZ 我选择设计截止频率为80HZ的低通滤波电路，其参数如下： ?0?1?503rad/s 则Rf?R1?2.4k? R1?R2?R?20k?

R1R2C1C2C1?C2?C?0.1?f

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4.4 其他电路的设计与选择

由滤波电路输出的应变信号，要用合理的显示装置显示出来，因此，我选用七段译码显示器及CD4511 如图 16

（a） （b）

图 16 显示结构部件

第 5 章 传感器的工艺设计

5.1应变片的粘贴工艺

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在处理好底层的弹性元件上，划好贴片的定位线，经清洗和干燥后，在贴片处均匀地涂一层贴片胶，适当时间后按给定的方位将应变计准确地放在粘贴部位上，而后在应变计上盖上一层氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一个方向碾压，挤出气泡和过量的粘接剂，保证胶层薄而均匀。然后在上面放一块硅橡胶并用夹具夹紧放入干燥箱进行固化处理。

贴片时胶层的厚度必须严加控制，片基和粘接剂胶层厚度对于减少蠕变有非常重要的影响，并也使粘结强度增高，更能准确地传递试件的应变。在实际工艺过程中胶层的厚度还受到其它因素的限制，例如绝缘电阻，因而也下能无限制地薄，否则将降低其绝缘电阻造成传感器性能不稳定。

贴片之后应进行初步检查，检查基底，盖底有无损坏，敏感栅是否变形，贴片方位是否正确，有无断路、短路，有无气泡，有无局部未贴牢，贴片后电阻值变化不能太大(一般变化不大于±0.5Ω)等。粘贴后的结构如图 17

图 17 应变片的粘贴位置

5.2传感器的封装

传感器封装是为了保护电阻应变敏感元件和弹性元件不受周围化学活性介质的影响，同时固定引线等。对于易受湿度影响的传感器，我们采用密封装置，这样才可以保证该传感器在灰尘、腐蚀气体等环境下长期使用时的精度。

具体密封方法是：采用柔软、弹性模量不变的橡胶波纹膜或金属波纹膜将应变敏感元件及弹性元件与外界隔离；采用材料与弹性元件具有相同线膨胀系数或采用相同材料作为外壳，通过电子束焊或激光焊将弹性元件上的膜片焊接在外壳上，并在其中冲入惰性气体，在此过程中一定得注意焊接必须可靠，否则会由于密封失灵和膜片支承变化造成传感器灵敏度的变化。同时，接线插座或电缆线需要密封，方法是采用绝缘材料将接线插座或电缆铸在里面，一端与应变敏感元件的引出线焊接，另一端接插头或焊接测量导线。

5.3 传感器装配

装配如附件三 尺寸已经标注到装配图纸上。

第 6 章 误差源分析以及处理

称重传感器在无外载荷作用时的输出称为零点输出零点输出受环境温度的影响随环 境温度的

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变化而变化，这称之为零点温度漂移引起称重传感器零点温度漂移的因素，产生此温度漂移的原因： （1）弹性元件电阻应变计应变粘结剂的单线膨胀系数不同 弹性元件的纵向和横向膨胀率不同电阻应变计基底和应变粘结剂底膜的厚度不同在环境温度发生变化时都会产生不同程度的热胀冷缩使电阻应变计敏感栅仁, 长或缩短引起电阻值变化

（2）电阻应变计敏感栅材料的电阻温度系数不为零各电阻应变计之间又有一定的 分散度而且敏感栅材料的电阻率也随环境温度而变化这都会引起电阻的改 变

（3）由于各电阻应变计的引出线及连接导线的长度不同温度变化可引起电桥导线 的电阻变化 （4）不同材料如康铜镍等焊点之间存在着较小的热电势也可以引起电阻变化

（5）弹性元件与外壳的温度系数不同弹性元件曲率的影响大气压 波动等影响。虽然比上述各项影 响小但也会使电阻值稍有变化。

对于这些误差，在桥路设计以及后续电路设计中已经采取相应措施。 另外，影响称重传感器稳定性的因素主要有： （1）称重传感器的结构

称重传感器的弹性元件、外壳、膜片及上压头、下压垫的设计，都必须保证受载后在结构上不产生性能波动，或性能波动很小。为此在称重传感器设计时，应尽量作到应变区受力单一，应力均匀一致；贴片部位最好为平面；在结构上保证具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力；安装力远离应变区，测量时应避免载荷支承点的位移。尽管称重传感器属于装配制造产品，但为了保证具有最佳技术性能和长期稳定性，尽可能将它设计成一个整体结构。

（2）机械加工与热处理工艺

弹性元件在机械加工过程中，由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力，切削用量越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力最大。因此应制订合理的加工工艺和规定适当的切削用量。弹性元件在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和金属材料相变等原因，在芯部和表层产生方向不同的残余应力，其芯部为拉应力，表层为压应力。必须通过回火处理工艺，在其内部产生方向相反的应力，与残余应力相互抵消，减少残余应力的影响。

（3）电阻应变计与应变粘结剂

电阻应变计应具有最佳性能，要求灵敏系数稳定性好，热输出小，机械滞后和蠕变小，应变量为1500×10-6时疲劳寿命可达108，电阻值偏差小，批次质量均一性好等。

应变粘结剂应具有粘结强度大，抗剪强度高；弹性模量较大且稳定；电绝缘性能好；具有与弹性元件相同或相近的热膨胀系数；蠕变和滞后小；固化时胶层体积收缩小等。粘贴电阻应变计时一定要严格控制胶层厚度，因为粘结强度随胶层厚度的增加而降低。这是由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面上的内应力很小，产

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生气泡和缺陷的几率也比较小，应变传递性能好，只要防护密封合理就可达到较高的稳定性水平。

（4）制造工艺流程

应变式称重传感器的工作原理和总体结构决定了，在生产工艺流程中有些工序必须手工操作，人为的因素对称重传感器的质量影响较大。因此必须制订科学合理并可重复的制造工艺流程，并在其中增加电子计算机控制的自动化或半自动化工序，尽量减少人为因素对产品质量的影响。

（5）电路补偿与调整

应变式称重传感器属于装配制造，贴片组桥后就形成了产品，由于内部不可避免的产生一些缺陷和外界环境条件的影响，称重传感器的某些性能指标达不到设计要求，因此必须进行各项电路补偿与调整，提高称重传感器本身的稳定性和对外部环境条件的稳定性。完善而精细的电路补偿工艺，是提高称重传感器稳定性的重要环节。

（7）防护与密封

防护与密封是称重传感器制造工艺流程中的要害工序，是称重传感器耐受客观环境和感应环境影响而能稳定可靠工作的根本保障。如果防护密封不良，粘贴在弹性元件上的电阻应变计及应变粘结剂胶层，都会吸收空气中的水分而产生增塑，造成粘结强度和刚度下降，引起零点漂移和输出无规律变化，直至称重传感器失效。因此有效的防护密封是称重传感器长期稳定工作的根本保证，否则将使各项工艺成果前功尽弃。

（8）稳定性处理

提高称重传感器的稳定性除处理好上述各种因素的影响外，最重要的途径就是采取各种技术措施和工艺手段，模拟使用条件进行有效的人工老炼试验，尽量多的释放残余应力使其性能波动减至最小。

第7 章 小结

本次课程设计是一个将所学理论应用于实际的过程，也是一个不断探索、不断尝试、

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不断学习的过程，这中间遇到了各种各样的困难，通过小组成员的共同讨论、研究以及查找相关资料，最终都得到一一解决，我也从中学到了不少知识。理论与实践是密切相关的，感谢教员给了我动手、动脑的机会，给了我们合作的机会，使我们体会到团体做事的效率及合作的精神。

从称重传感器的应变片、弹性体、检测电路三个主要部分出发，我分别设计。每一部分都要我查阅许多资料，以及进行很多计算。应变片设计中，在应变片的类型、材料选择以及参数计算方面，我都做了详细的分析与设计；弹性体的设计中，在弹性元件的结构设计，极限应变以及尺寸确定方面，我也通过查阅有关资料以及与同学讨论，终于合理的设计出符合要求的弹性元件结构；检测电路设计，在桥路设计、放大电路设计、检波电路选择以及滤波电路的设计方面，我都做了详细的分析与参数确定。

在此次称重传感器设计的过程中，我觉得自己对课本上的理论知识的理解加深很多，并且学到了许多教学课本上没提到过的内容，比如影响称重传感器稳定性的因素等。不仅如此，我还对关于精度要求的问题有了比较全面的认识，精度对于此种传感器无疑至关重要，所以在设计此称重传感器的过程中，我时刻都在考虑着我所设计的是否能够尽量减少其误差，以提高传感器的测量精度。比如在桥路设计时，为减少温度误差，我选择设计全桥式差动桥路电路；在放大电路以及检波电路设计时，我分别采用同相串联双运放高共模抑制比放大电路，和整流型相敏检波电路，以减少共模信号及其他干扰信号，以减少干扰误差，提高测量精度。

参考文献：

[1]李科杰.新编传感器技术手册.北京:国防工业出版社,2002 [2]陶宝祺.电阻应变式传感器.北京:国防工业出版社,1993

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[3]单辉祖.材料力学第2版.北京:高等教育出版社,2005 [4]张国维.测控电路.北京:机械工业出版社,2007

[5]刘迎春、叶湘滨.传感器原理与应用.长沙:国防科技大学出版社,2006 [6]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.北京:国防工业出版社,1999

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