毕业设计 - 应变式力传感器

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）

应变式力传感器的设计

专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师

自动化 07084310 200713072005

王帅 刘涛

I

摘 要

本文主要介绍应变式力传感器的设计及应用。当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息社会的重要技术基础，应变式力传感器用作静态、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。随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。在本文中主要介绍传感器的工作原理，电阻应变片的基本工作原理，传感器的选择材料，弹性元件的选择，应变式传感器的结构与设计。以及简单介绍电阻应变式力传感器的两种应用形式，柱式力传感器，梁式力传感器及它们胶的粘贴类型及工艺原理，最后介绍温度补偿方法等。

关键词：力传感器；电阻应变片；电桥；线性度

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Abstract

The article main introduced the variant force sensor design and its application. In Current era, transducer technology has already developed to an independent class of for electronics industry basic product and has been an important technological foundation of information society. The strain type strength transducer is used as measured the strength or weighed in the static, dynamic condition, measured and controlled, automatic gauge and so on is already a large amount of application in the industrial production process of our country. With the deepening reformation of the traditional industry with the modern electronic information technology and the technological development, it’s demanding increases day by day. This essay Mainly introduce the operation principle of the transducer, the basic operation principle of Resistance Strain slice ,the choice of material of the transducer, the choice of the elastic component, structure and design of the Strain type strength transducer ; And introduced two kinds of applied forms of the resistance Strain type strength transducer briefly, column type strength transducer, beam type strength transducer, and Pasting the type of their glue and craft principle, recommend the compensation method of temperature and so on finally. Have looked forward to current situation and prospect of the strain type strength transducer briefly.

Keywords: Force transducer; Resistance Strain slice; Electric Bridge; Linear degree

III

目 录

1 引言 ................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景 ............................................................................................................. 1 1.2 国内外发展动态 ......................................................................................................... 1 2 传感器的相关知识 ........................................................................................................... 3 2.1 传感器概念 ................................................................................................................. 3 2.2 传感器的工作原理 ..................................................................................................... 3 2.3 传感器的组成结构 ..................................................................................................... 5 3 电阻应变片的相关知识 ................................................................................................... 7 3.1 电阻应变片的结构和工作原理 ................................................................................. 7 3.2 电阻应变效应 ............................................................................................................. 8 3.3 电阻应变片的种类及材料 ....................................................................................... 10 3.3.1 电阻应变片的种类 ............................................................................................ 10 3.3.2 电阻应变片的材料 ............................................................................................ 13 3.4 金属应变片的主要特性 ........................................................................................... 14 4 电阻应变式力传感器的设计 ......................................................................................... 19 4.1 柱形应变式力传感器 ............................................................................................... 19 4.1.2 利用拉伸与压缩应力的称重传感器 ................................................................ 20 4.1.3 柱式称重传感器的误差来源 ............................................................................ 23 4.2 梁式力传感器 ........................................................................................................... 23 5 粘贴技术及稳定处理 ..................................................................................................... 28 5.1 应变片粘贴技术 ....................................................................................................... 28 5.1.1 粘结剂的选择 ................................................................................................ 28 5.1.2 应变计的粘贴 ................................................................................................ 28 5.2 弹性元件材料的稳定处理 ....................................................................................... 29 6 电阻应变式传感器的信号处理电路 ............................................................................. 32 6.1 转换电路 ................................................................................................................... 32 6.2 直流电桥 ................................................................................................................... 32

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7 结论 ................................................................................................................................. 38 8 结束语 ............................................................................................................................. 39 参考文献 ............................................................................................................................. 40 致 谢 ................................................................................................................................. 41

V

应变片的电阻也发生相应的变化。如果应用仪器测出应变片的电阻值变化?R。则根据式（3.8），可以得到被测对象的应变值为?x，而根据应力-应变关系。

??E? （3.9） 式中：?—试件的应力；?—试件的应变；可以得到应力值?。

通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。

3.3 电阻应变片的种类及材料

3.3.1 电阻应变片的种类

现代应变片根据实际需要已发展成为多种型式：尺寸长的有几百毫米，短的仅0.2毫米；形式上有单片。应变花和特殊形状的图案;使用环境，有高温、低温、水下、抗辐射、高压、抗强磁场等；安装形式有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。此外，应变片的工艺和原理还被移植到其他领域，产生了许多性能优良的特殊片，如高精密电阻、疲劳片、裂纹片、测温片及传感器补偿片等。因此，传感器仅仅是应变片技术的应用领域之一。

下面具体介绍几种应变片的特点，见表3.1： 1.金属丝式应变片

金属丝式应变片有回线式和短接式两种，图3.2所示为回线式应变片。

图3.2 回线式应变片

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它的敏感栅材料直径在0.012～0.05mm之间，以0.025mm左右为最常用,回线的曲率半径r为0.1～0.3mm，基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。引线多用0.15～0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。

所有电阻片中，丝式片属最基本的传统结构，也是传感器中常用的品种，其生产和使用历史较长。丝材加工及处理技术比较成熟，灵敏系数比较一致，温度系数可选择适当的合金成分及热处理进行调节，因此可达到自补偿。但直径不能过细，否则会要限制使用电压。

表3.1 用于传感器的各种应变片

电应变 阻片 材种类 料 金属丝 式片 金属箔 片式 金属丝 金形状任意，能制于各种基片上，阻值一致性好，K属箔 金金属 属薄膜薄片 膜 体型单半 晶导体硅 片 ＜1000 140 小 较难 K值高，温度系数大 ＜5000 1.0~2.0 近于0 困难 关，输出功率大，精度好，但性能与工艺有关 无胶基结构，绝缘性能高，应变极限与基底材料有＜2000 2.0~2.4 很小 简易 值温度系数好，横向效应好 ＜1000 2.0~6.0 小 简易 使用方便、价廉，温度系数和K值一致性好，可用很长的丝，疲劳寿命长，能承受较大变形，能用多种合金材料金属 （?） （k） 蠕变 工艺 电阻值 灵敏系数 滞后及制造备 注 2.箔式应变片

箔式片的丝栅尺寸小，形状任意、柔软、横向效应小，容许电流大，疲劳寿命高，

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蠕变及滞后好，应用日益增多，早期获得均匀的箔材比较困难，但目前已是应变式传感器中使用的主要品种。箔式片所用箔材，一般厚为3～5微米，常用铜镍合金（如康铜），但近年来随着技术的发展，应变片用箔材也发展成为系列。制作方法除开光化学腐蚀外，也可采用精密冲压法，冲压法与腐蚀法比较，栅条无毛刺，性能比较一致。我国由于原材料（箔材性能尚不完全过关）和工艺（箔式片不易粘贴，焊点容易脱落等）关系，目前丝式片、尤其是高温和低温片，仍占主要地位。下面是箔式片的主要优点：

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

（2）敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大，故粘合面积大；

（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。 3.薄膜应变片

薄膜片是目前高精度传感器中很有前途的新型电阻片（国外称之为无蠕变工艺）。其原理，虽早在五十年代初就有人提出过，但遇到多方面的工艺困难，制成的薄膜稳定性差无法实用，直到最近十余年才有所突破。目前，对于金属薄膜片而言，比较成熟的方法有两种：一是真空蒸发，二是溅射式阴极扩散。由于溅射的分子具有很大的能量，不能蒸发只凝结在表面，故附着力强，膜的性能好。为了沉积基底绝缘材料，进一步改善溅射过程，需采用高频溅射系统，这种片的优点是：阻值比箔式高，形状和尺寸也比箔式片更小更精确，没有箔式片腐蚀所引入的疵病；制成的结构导热良好，对于较宽的工作温度范围也可达到较完善的补偿。尤其突出的是：陶瓷绝缘代替了胶接，既避免了复杂的分选和粘贴技术，而且对胶所引入的漂移、疲劳等弱点都有很大的克服。制成的传感器可以达到较高的水平。

4.半导体应变片

半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。常用的半导体应变片系用锗和硅等半导体材料作为敏感

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栅，一般为单根状，根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。

3.3.2 电阻应变片的材料

1.敏感栅材料

制造应变片时，对敏感栅材料的要求：①灵敏系数Ks和电阻率?要尽可能高而稳定，电阻变化率?RR与机械应变?之间 应具有良好而宽广的线性关系，既要求Ks在很大范围内为常数；②电阻温度系数小，电阻-温度间的线性关系和重复性好；③机械强度高，碾压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；④抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。

此外，制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等，材料性能见表3.2。

表3.2 常用应变电阻丝材

材 性 能 料 康 铜 镍铬锰硅 镍铬 电阻率（??mmm2） 0.46~0.5 1.29~1.31 1~1.3 电阻温度系数（1? C）?20?162?0.1 ?6 ?10?10?6 ?110?10?6 灵敏系数k 2.1~2.4 2.1~2.5 与铜焊接性 好 较好 较好 抗拉强度（kgmm2） 42.3~70.4 110~140 2.应变片基底材料

应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基（有机聚合物）取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，

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厚约0.03-0.05mm。

对基底材料性能有如下要求：①机械强度好，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。

3.引线材料

康铜丝敏感栅应变片，引线系采用直径为0.05-0.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。其他类型敏感栅，多采用直径与上述相对的铬镍、铁铬铝金属丝或偏带作为引线。与敏感栅点焊相接。

3.4 金属应变片的主要特性

1.灵敏系数

灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。 k??RR? (3.10)

应变片的电阻R的应变特性与金属丝不同，因此必须用实验方法对应变片的灵敏系数K进行测定。测定时必须按规定的标准，例如受轴向单向力（拉或压），试件材料泊松系数为?=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值作为该批产品的灵敏系数，又称“标称灵敏系数”。实验表明，电阻应变片的灵敏系数k值恒小于电阻丝的灵敏系数k0，其原因除了粘结层传递变形失真外，还存在有横向效应。

2.横向效应

图3.3 横向效应

参考文献

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致 谢

本文是在导师刘剑老师的悉心指导下完成的。刘剑老师敏锐的洞察力，渊博的知识、严谨的治学态度和一丝不苟的工作作风给我留下了深刻的印象。在整个毕业设计过程中为我创造的良好的科研和学习环境及对我的严格要求和勉励，本人也从刘剑老师的独特的教学和管理方式上受益匪浅。在此谨向刘剑老师表示衷心的感谢和崇高的敬礼。

衷心感谢本小组成员陈蕾蕾，毕胜在本课题的设计过程中对我工作的支持和帮助。感谢以及所有在我学习过程中帮助过我的朋友们。感谢我的家人，他们的理解和支持给我带来了无比的信心和勇气，使我在前进的路上义无返顾。当然，我还要感谢航空学院的图书馆为我提供参考书籍，在此我深表感谢。作为一名沈航学子，作者衷心感谢沈航对自己四年来的培养，我将永远为她而骄傲。

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