【MT47】基于电阻应变片的称重传感器设计文档

我们可以对传感器作字面上的解释传感器的功能是感二传，即感受被测信息并传送出去。

传感器的工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。

形与其引起电阻应变计的电阻变化之间呈线性关系的原理，制成测量各种物理量的传感器，这种传感器，习惯称为随着科学技术的发展，传感器产品应用范围的不断扩大，在现代科学技术国民经济人民生活中都占有重要地位，为此世界各国都给予了高度重视。

我国的计划和科技攻关计划也把传感器的研究与开发放在重要地位。

据有关资料介绍，在世界范围内传感器的计量逐年上升，世界市场传感器销售额年为亿美元，年增加到亿美元，如今已突破亿美元，年平均增长率为，品种已超过二万种。

其中，工业自动控制交通运输冶金行业市场的份额占以上。

电阻应变片式传感器是现代传感器技术的重要组成部分，它利用当电阻应变计安装在弹性体上时，在外载荷作用下，弹性体的变品种已超过二万种。

据有关资料介绍，在世界范围内传感器的计量逐年上升，世界市场传感器销售额年为亿美元，年增加到亿美元，如今已突破亿美元，年平均增长率为，部分内容简介的重要技术基础。

随着科学技术的发展，传感器产品应用范围的不断扩大，在现代科学技术国民经济人民生活中都占有重要地位，为此世界各国都给予了高度重视。

我国的计划和科技攻关计划也把传感器的研究与开发放在重要地位。

据有关资料介绍，在世界范围内传感器的计量逐年上升，世界市场传感器销售额年为亿美元，年增加到亿美元，如今已突破亿美元，年平均增长率为，品种已超过二万种。

其中，工业自动控制交通运输冶金行业市场的份额占以上。

电阻应变片式传感器是现代传感器技术的重要组成部分，它利用当电阻应变计安装在弹性体上时，在外载荷作用下，弹性体的变形与其引起电阻应变计的电阻变化之间呈线性关系的原理，制成测量各种物理量的传感器，这种传感器，习惯称为电阻应变式传感器或是应变计式传感器。

二〇四年三月十八日星期二传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。

但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理特性，将非电量转换成电量。

所以如何采用新技术新工艺新材料以及探索新理论，以达到高质量的转换效能，是总的发展途径。

由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对测控系统的精度提出更高的要求。

近年来，微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到应用，而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术，根据这些时代特点，传感器将向以下几个方面发展为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能提高，例如对于火箭发动机燃烧室的压力测量，希望测量精度的功能优于，对超精度加工在线检测精度高于，因此需要研制出高精度的传感器，以满足测量的需求。

目前我国以研制出精度优于传感器。

二〇四年三月十八日星期二传感器的相关知识传感器概念我们国家标准是这样定义传感器的能够感受规定的被测量并按照定规律转换成可以输出信号的器件或装置。

我们的理解是传感器是种以定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的便于应用的种物理量的测量装置。

这定义包含了以下几方面的意思传感器是测量装置，能完成检测任务它的输入量是被测量，可能是物理量，也可能是化学量生物量等他的输出量是种物理量，这种量要便于传输转换处理和显示等，这种量可以是气光电物理量，但主要是电物理量输入输出有对应关系，且应有定的精确程度。

我们可以对传感器作字面上的解释传感器的功能是感二传，即感受被测信息并传送出去。

传感器的工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。

弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。

而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。

这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量量的大小了。

弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。

电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变片传感器的核心元件。

那么现在举几个简单的例子来说明传感器的原理，如图所示。

二〇四年三月十八日星期二图柱式力传感器原理图图梁式力传感器原理图上面两个例子简单说明了传感器的工作原理，其中图是柱式力传感器原理图。

当圆柱里的应变片受力变形时，会随力增加而缩短，同时，外面的电阻会受应力而拉伸。

在弹性范围内，应力与应变成正比关系式中作用在弹性元件上的集中力圆柱的横截面积。

这个公式说明应力的变化和圆柱体受力的大小和圆柱的横截面积有关，其中个变化应力就随着变化。

同样的道理图是梁式力传感器的简易原理图，弹性元件为端固定的悬臂梁，力作用在自由端，顺着的方向分别贴上，电阻应变片。

此时，随力增加而拉伸，随力增加而压缩，两者发生极性相反的等量应变，粘贴应变片处的应变为二〇四年三月十八日星期二这种传感器会因受力的变化应力也改变。

上述这两种传感器具有结构简单加工容易应变片容易粘贴灵敏度高等特点。

传感器的组成结构传感器亦称变换器，是将各种非电量包括物理量，化学量，生物学量等按定的规律转换成便于处理和传输的另外种物理量般为电量磁量等的装置，它能把种形式的能量转换成另种形式的能量。

传感器般由敏感元件传感元件和测量电路部分组成，有时还需加上辅助电源，其原理如图所示。

图传感器原理框图其中敏感元件直接感受被测物理量，如在应变式传感器中为弹性元件传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示控制和处理的有用电信号的电路，使用较多的是电桥电路。

由于传感器元件输出的信号般较小，大多数的测量电路还包括放大电路，有的还包括显示器，直接在传感器上显示出所测量的物理量辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。

下面具体介绍这几种元件的性能敏感元件敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。

例如铂式电阻能根据感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降做出的响应，所以铂式元件淬火后剩余奥示体转变为马示体的种组织稳定处理。

为了避免奥氏体在室温下停留的陈化现象，般在淬火第次回火后，冷到时就放入低温中进行保温处理。

超声处理上述五种方法，虽然都能不同程度地消除弹性元件的内应力，使性能稳定，但有缺点，如设备复杂操作费事加温温度过高，消除内应力的同时，元件强度硬度及弹性都会受到影响温度过低降温过快有可能形成新的应力，效果又不理想。

为此，国外近年来又推荐利用超声波进行处理的方法。

液体中超声波产生的气二〇四年三月十八日星期二穴，在破裂时压力可达到上万个大气压，产生的球形冲击波能在很短时间内传播到试样，激活轰击材料。

据介绍，超声波的能量即可被材料吸收产生不稳定结构的塑性位移，降低内应力，又能促使淬火钢材中的残余奥氏体转变。

两种效应联合作用，使得稳定效果良好。

二〇四年三月十八日星期二电阻应变式传感器的信号处理电路转换电路应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为显示与记录应变的大小，还要把电阻的变化在转换为电压或电流的变化，完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的信号调节电路，般采用测量电桥。

直流电桥直流电桥的工作原理图四臂电桥四臂电桥如图所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零，则流过负载电阻的电流为时电桥平衡，则平衡条件为若将应变片接入电桥臂，应变片的阻值变化量可以用检流计转换为电流的大小表示称偏转法，也可以用改变相邻桥臂阻值的方法，使恢复到零称零读法然后根据相邻桥臂阻值的变化来确定应变片的阻值变化。

不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度二〇四年三月十八日星期二当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥输出电阻大很多，可以把电桥输出端看成开路，电桥的输出式为电桥的平衡条件与式相同。

应变片工作时，其电阻变化，此时有不平衡电压输出。

设桥臂比，由于电桥初始平衡时有，略去分母中的，可得电桥灵敏度定义为，可得单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为显然，与电桥电源电压成正比，电源电压的提高，受应变片允许功耗的限制。

与桥臂比有关。

当电桥电源电压定时，应取何值时，电桥灵敏度最高。

取时，为最大，得，所以时，即，时为最大。

当时，由式得二〇四年三月十八日星期二式表明，当电源电压及电阻相对值定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻值的大小无关。

时的电桥，称对称电桥，常采用这种电桥的形式。

直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，在测量中常用直流电桥。

电桥的非线性误差式求出的输出电压是由略去式分母中的项假设而得的近似值。

实际值为式。

可改写为非线性误差为对于对称电桥，时将按幂级数展开代入式，再略去高阶量，可得可见非线性误差与成正比。

对金属电阻丝应变片，因为非常小，电桥非线性误差可以忽略，对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多，受应变时很大，非线性误差将不可忽略。

减小非线性误差常采用的措施二〇四年三月十八日星期二采用差动电桥，如图，在试件上安装两个工作应变片，片受拉，片受压，然后接入电桥相邻臂。

电桥输出电压为设初始时为，，则上式可简化为可见，这时输出电压与成定的线性关系，而且电桥灵敏度比单臂时提高倍，此外