1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　緒論…………………………………………………………………………………1</p><p>　　CZL-204稱重測力傳感器相關介紹………………………………………………2</p><p>　　2.1 電阻應變式傳感器的相關介紹………………………………………………2</p>

2、<p>　　2.2 稱重傳感器的原理分析及相關計算…………………………………………3</p><p>　　2.2.1 結構與原理特點 …………………………………………………………3</p><p>　　2.2.2 受力分析與理論計算……………………………………………………4</p><p>　　彈性元件的計算與選擇………………………………………………………

3、……5</p><p>　　3.1彈性元件的要求………………………………………………………………5</p><p>　　3.2 彈性元件的尺寸計算…………………………………………………………5</p><p>　　應變片的選用及計算………………………………………………………………5</p><p>　　4.1 應變片材料類型的選擇………………

4、………………………………………5</p><p>　　4.2 敏感柵材料及參數(shù)的選擇……………………………………………………6</p><p>　　4.3 應變片基底材料選擇…………………………………………………………6</p><p>　　4.4 粘接劑材料選擇………………………………………………………………7</p><p>　　4.5

5、引線材料選擇…………………………………………………………………7</p><p>　　4.6 應變片尺寸設計及阻值選擇…………………………………………………7</p><p>　　4.7 應變片的貼片方式……………………………………………………………7</p><p>　　外形設計…………………………………………………………………………8</p>&l

6、t;p>　　轉換電路設計……………………………………………………………………8</p><p>　　6.1 全橋放大電路………………………………………………………………8</p><p>　　6.2 放大電路的設計計算……………………………………………………10</p><p>　　6.3相敏檢波電路……………………………………………………………11</

7、p><p>　　6.4濾波電路…………………………………………………………………12</p><p>　　6.5電路總圖……………………………………………………………………13</p><p>　　誤差來源與精度分析……………………………………………………………14小結體會…………………………………………………………………………15</p><p&g

8、t;　　參考文獻…………………………………………………………………………15</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1設計的任務及要求</p><p>　　正確選取電阻應變片的型號、數(shù)量、粘貼方式并連接成電橋；</p><p>　　選取適當形式的彈性元件，完成其機械結構設計、材料選擇和受力

9、分析，并根據測試極限范圍進行強度校核；</p><p>　　完成傳感器的外觀與裝配設計；</p><p>　　完成應變電橋輸出信號的后續(xù)電路的設計和相關電路參數(shù)計算，繪制電路原理圖；</p><p>　　按學校課程設計說明書撰寫規(guī)范提交一份課程設計說明書（5000字左右）；</p><p>　　按機械制圖標準繪制彈性元件圖,機械裝配圖各一張；

10、</p><p>　　1.2設計的目的意義及發(fā)展趨勢</p><p>　　本次課程設計主要是針對電阻應變式傳感器，電阻應變式傳感器的結構和工作原理很簡單。電阻應變式式傳感器由彈性敏感元件與電阻應變片構成。彈性元件在感受被測量時將產生變形，其表面產生應變。而粘貼在敏感元件表面的電阻應變片將隨著彈性敏感元件產生變形，因此電阻應變片的電阻值也產生相應的變化。這樣，測量電阻應變片的電阻值變化就可以

11、確定被測量的大小了。</p><p>　　本設計為輪輻（圓板）式稱重傳感器，具有精度高、性能可靠、結構簡單、互換性好等優(yōu)點。被廣泛應用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、料斗稱等領域。</p><p>　　2.CZL-204稱重測力傳感器相關介紹</p><p>　　2.1電阻應變式傳感器的相關介紹</p><p>　　電阻應變式傳感器具有悠久的歷史。將電

12、阻應變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可構成測量位移、力、力矩、壓力等各種參數(shù)的電阻應變式傳感。電阻應變式傳感器具有以下很多優(yōu)點：</p><p>　　1、結構簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；</p><p>　　2、易于實現(xiàn)測試過程自動化合多點同步測量、遠距離測量和遙測；</p><p>　　3、靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；</p><

13、;p>　　4、可以測量多種物理量。</p><p>　　傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優(yōu)點。</p><p>　　2.2 稱重傳感器的原理分析及相關計算</p>

14、<p>　　2.2.1 結構與原理特點 </p><p>　　輪輻（圓板）式稱重傳感器的彈性體利用的是圓平板的彎曲應力，屬彎曲型正應力傳感器，下面4個螺孔與螺釘配合其固定作用，當重力施加到上面圓板上，會壓縮圓板使之向下變形，空腔內的應變片將該微小的變形轉化為電阻的改變，然后電阻的改變經過信號轉換電路，即可將受到的壓力轉化為電量輸出，從而實現(xiàn)測重的目的，其主要特點是：結果簡單緊湊，體積小，高度低；抗側向載

15、荷及偏心載荷能力較強；便于防護密封，結構對稱，集合外形為圓形，易于加工出很高的加工精度。</p><p>　　圖2.1 圖2.2</p><p>　　2.2.2 受力分析與理論計算</p><p>　　輪輻（圓板）式彈性體可視為圓板周邊固支，中心凸臺上作用一個集中載荷P的圓平板，其力學模型如圖一所示，為方便計算，以極坐標原點為圓

16、心，以r為半徑，從圓板中取出一薄圓環(huán)，并把內力和外載荷都看做是作用在圓板的中面上，其單元體及作用的內力如圖二所示。取平衡條件</p><p>　　上述理論計算是在板的中面沒有變形，彎曲時仍保持中性；原中平面法線上各點，彎曲后仍在中曲面法線上；不考慮板的橫向應力三個假設和無中心凸臺的等厚度板條件下得出的，為簡化計算，其最大應力為：</p><p>　　式中K和為對各種比值b/a和泊松比=0.

17、3計算所得的因子，具體系數(shù)見下表</p><p>　　3. 彈性元件的計算與選擇</p><p>　　彈性敏感元件在傳感器技術中占有極為重要的地位。在傳感器工作過程中，一般是由彈性敏感元件首先把各種形式的非電物理量變換成應變量或位移量等，然后配合各種形式的轉換元件，把非電量轉換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應用最廣泛的元件。</p><p>　　3.1彈性元件的要

18、求</p><p>　　在設計傳感器以前，首先應選擇好彈性元件材料。對彈性元件材料提出以下要求：</p><p>　?。?）強度高，彈性極限高；</p><p>　?。?）具有高的沖擊韌性和疲勞極限；</p><p>　?。?）彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定；</p><p>　?。?）熱處理后應有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性

19、；</p><p>　?。?）熱膨脹系數(shù)?。?lt;/p><p>　?。?）具有良好的機械加工和熱處理性能；</p><p>　?。?）具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；</p><p>　?。?）彈性滯后應盡量小。</p><p>　　3.2 彈性元件的尺寸計算</p><p>　　由于輪輻（圓板）式稱

20、重傳感器利用的是圓板彎曲時產生的徑向應力，應變，所以在設計與計算時主要控制徑向應變值，使其滿足稱重傳感器靈敏度要求，其它部位只要保證強度，剛度條件即可，一般使b與a的比值在2-3之間比較理想，如果結構需要也可以達到4，甚至5。故我們可以設定(即2a)為22mm,b為22mm，為70mm，為90mm，H1為48mm，M為M10，SR為50，h為10mm，將數(shù)據代入式計算得=220.5MPa ，經查找資料，40CrNiMo完全能滿足該要求，

21、故選用此合金鋼作為彈性元件材料。</p><p>　　4.應變片的選用及計算</p><p>　　4.1 應變片材料類型的選擇</p><p>　　電阻應變片的種類，規(guī)格很多，常見的有金屬絲式應變片，金屬箔式應變片，半導體應變片。而其中金屬箔式應變片是使用最普遍的電阻應變片，其敏感柵用0.001-0.01mm厚的合金箔利用照相制版或光刻腐蝕的方法制成，柵長最小可做成

22、0.2mm。比較三種電阻應變片的特點：</p><p>　　絲式應變片：制作簡單、性能穩(wěn)定、價格便宜、易于粘貼。但回線式應變片橫向效應大，而短接式應變片焊點多，在沖擊、振動條件下，易在焊接處出現(xiàn)疲勞破壞，對制造工藝的要求高。</p><p>　　箔式應變片：表面積大、散熱性能好，靜態(tài)、動態(tài)特性好，可通過較大工作電流，橫向效應小，蠕變、機械滯后小，疲勞壽命高，但工藝復雜。</p>

23、<p>　　半導體應變片：靈敏系數(shù)大，動態(tài)特性好，但重復性及溫度、時間穩(wěn)定性較差，應變時非線性嚴重，互換性差。</p><p>　　綜合以上分析，決定選用金屬箔式應變片，以保證較高的測量精度，測量靈敏度及較高的性價比。</p><p>　　4.2 敏感柵材料及參數(shù)的選擇</p><p>　　制造應變計時對敏感柵材料的要求：</p><

24、;p>　　a、所選用的材料應使靈敏度系數(shù)和電阻率要盡可能高而穩(wěn)定；電阻變化率△R/R 與機械應變ε具有良好而又寬廣的線性關系；</p><p>　　b、電阻-溫度系數(shù)小，電阻-溫度線性關系和重復性好；</p><p>　　c、機械強度高、輾壓及焊接性好，與其他金屬件接觸電阻?。?lt;/p><p>　　d、抗氧化耐腐蝕、無明顯機械

25、滯后；</p><p>　　制作應變片敏感柵常用的材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴重金屬（鉑、鉑鎢合金等）。</p><p>　　查詢資料，故選用康銅作為應變片材料。</p><p>　　4.3 應變片基底材料選擇</p><p>　　對基底材料性能的要求：</p><p>　　a、機械強度高，擾性好

26、；</p><p>　　b、粘貼性能好，電絕緣性能好；</p><p>　　c、熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥院茫?lt;/p><p><b>　　d、無滯后和蠕變。</b></p><p><b>　　選擇結果：</b></p><p>　　基于上述要求，應變片基底材料選用由環(huán)氧樹脂、酚醛樹

27、脂和聚酰亞胺等制成的膠膜，厚度為0.03~0.05mm。</p><p>　　4.4.粘接劑材料選擇</p><p>　　粘貼劑的主要功能是要在軸向準確的傳遞試件的應變，因此，它應具備：</p><p>　　1、與試件表面有很強的粘貼強度；</p><p>　　2、彈性模量大、蠕變小、滯后小，溫度和力學性能參數(shù)要盡量與試件相匹配；</p

28、><p>　　3、抗腐蝕、涂刷性好，固化工藝簡單，變形小，使用簡單，可長期儲存；</p><p>　　4、電絕緣性能、耐老化與耐溫耐濕性能均要良好。</p><p>　　粘貼應變片的膠粘劑一般都采用熱固性型膠粘劑如聚酰亞胺、改性的環(huán)氧 - 酚醛膠。這類膠粘劑貼片后，經加壓回熱固化及后固化處理后，膠層具有很高粘結強度，電絕緣性能好，因而傳感器的蠕變、滯后及零漂小，傳感器的

29、穩(wěn)定性也好。</p><p>　　4.5 引線材料選擇</p><p>　　康銅絲敏感柵應變片的引線常采用直徑為0.15-0.18mm的銀銅絲。</p><p>　　4.6 應變片尺寸設計及阻值選擇</p><p>　　目前傳感器生產中大多數(shù)選用350 Ω 的應變片，但是由于大阻值應變片具有通過電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)工作時間

30、長、動態(tài)測量信噪比高等優(yōu)點，并且大阻值應變片可以減小應變焦耳熱引起的零漂，提高傳感器長期使用的穩(wěn)定性。因此，在不考慮價格因素的前提下，使用大阻值應變片，對提高傳感器精度是有益的。所以就選用電阻值為350的 應變片，而一般來說，應變片柵長越小，測量頻率越高，越能正確反映出被測量點的真實應變，故綜合考慮選用BH120-5AA箔式應變片，其柵長、柵寬分別為5mm、5.8mm,基底尺寸為9.0mm*4.0mm。</p>

31、<p>　　4.7 應變片的貼片方式</p><p><b>　　圖4.1</b></p><p><b>　　5.形裝設計</b></p><p>　　CZL-204稱重測力傳感器實物圖如圖所示</p><p><b>　　圖5.1</b></p>&

32、lt;p>　　CZL-204稱重測力傳結構圖</p><p><b>　　圖5.2</b></p><p><b>　　6.轉換電路設計</b></p><p>　　6.1 全橋放大電路</p><p>　　電阻應變片計把機械應變轉換成ΔR/R后，應變電阻變化一般都很微小，這樣小的電阻變化既難

33、以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換電路，把應變片計的ΔR/R變化轉換成電壓或電流變化。通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉換。</p><p>　　因為差動電橋不但靈敏度比單臂電橋高，可以消除或減小電橋的非線性誤差，而且對應變片受溫度影響產生的測量誤差也可以消除或減小，因此采用四臂差動電橋。 </p><p><b>　　圖6.1</b></p>

34、;<p>　?。簯兤娮?；：敏感柵面積；：敏感柵上的功率密度，可取PG=（1.6~3.1）×10-3W/</p><p><b>　　代入計算的=10V</b></p><p>　　6.2 放大電路的設計計算</p><p><b>　　圖6.2</b></p><p>　

35、　本次課程設計的放大電路我采用三運放高共模抑制比放大電路</p><p>　　由輸入級電路可寫出流過,和的電流為</p><p>　　于是，輸入級的輸出電壓，即運算放大器輸出之差為</p><p>　　當性能一致時，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關，而其共模輸出，失調及漂移均在兩端相互抵銷，因此電路具有良好的共模抑制能力，同時不要求外部電阻匹配。但為

36、了消除偏置電流等的影響，通常為了抑制公模電壓，并達到差模電壓放大的目的將各電阻阻值設定為阻值設定為：;;</p><p><b>　　; 因此有：</b></p><p><b>　　6.3相敏檢波電路</b></p><p>　　經過放大以后的波形仍為調幅波，必須用檢波器將它還原為被檢測應變信號的波形。而一般的檢波器只

37、有單向的電壓輸出，不能區(qū)別拉壓應變信號。因此，我采用能克服上述缺點的相敏檢波器，它可以有雙向信號輸出，能反映出應變的拉或者壓。其放大增益設為1，所以只是起到檢波作用，無放大效果。則其對應的電阻值為R1=R2=R3=R4=R5=R6/2=1.電路圖如下：</p><p>　　圖6.3 相敏檢波電路</p><p>　　如上圖：當VCC1=1時，Q2導通，Q1截止，同相輸入端接地，Us從

38、反相輸入端輸入，放大倍數(shù)為.當VCC2=1，VCC1=0時，Q2截止，Q1導通，反相輸入端通過R3接地，Us從同相輸入端輸入，放大倍數(shù)為:從而實現(xiàn)了相敏檢波。</p><p><b>　　6.4低通濾波電路</b></p><p>　　由相敏檢波電路輸出的被檢測應變波形中仍殘留有載波信號，必須濾掉，方能得到被檢測應變信號的正確波形。一般用電容，電感組成二型低通濾波器。

39、</p><p>　　對濾波器的特性要求，要考慮到和前級相敏檢波電路的匹配，又要考慮和后級記錄器的匹配。由于它要濾去高頻波中頻率最高分量，即是載波頻率，而一般被測應變信號頻率比小很多，故濾波電路的截止頻率只要在（0.3~0.4），就可滿足頻率特性要求。所以在這里我選用無線增益多路反饋型低通濾波電路。其示意圖如下： </p><p>　　圖6,4 低通濾波電路</p&g

40、t;<p>　　其放大增益 而載波信號頻率定為500HZ 則此濾波器的截止頻率為150~200HZ，我選擇設計截止頻率為200HZ的低通濾波電路，其參數(shù)如下：R1=R3=10K, R2=2.5K,C1=C2=1;則其增益為：；截止頻率 </p><p>　　6.5電路總圖的設計</p><p>　　圖6.5 電路總圖</p><p>　　7.誤

41、差來源與精度分析</p><p>　　電阻應變片也會有誤差，產生的因素很多，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：</p><p>　　（1）彈性元件電阻應變計應變粘結劑的單線膨脹系數(shù)不同 彈性元件的縱向和橫向膨脹率不同電阻應變計基底和應變粘結劑底膜的厚度不同在環(huán)境溫度發(fā)生變化時都會產生不同程度的熱脹冷縮使電阻應變計敏感柵仁, 長或縮短引起電阻值變化</p>

42、<p>　?。?）電阻應變計敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)不為零各電阻應變計之間又有一定的 分散度而且敏感柵材料的電阻率也隨環(huán)境溫度而變化這都會引起電阻的改 變</p><p>　　（3）由于各電阻應變計的引出線及連接導線的長度不同溫度變化可引起電橋導線 的電阻變化</p><p>　?。?）不同材料如康銅鎳等焊點之間存在著較小的熱電勢也可以引起電阻變化</p>&l

43、t;p>　　另外，影響稱重傳感器穩(wěn)定性的因素主要有：</p><p>　?。?）稱重傳感器的結構</p><p>　　稱重傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設計，都必須保證受載后在結構上不產生性能波動，或性能波動很小。為此在稱重傳感器設計時，應盡量作到應變區(qū)受力單一，應力均勻一致；貼片部位最好為平面；在結構上保證具有一定的抗偏心載荷和側向載荷的能力；安裝力遠離應變區(qū)，測量

44、時應避免載荷支承點的位移。盡管稱重傳感器屬于裝配制造產品，但為了保證具有最佳技術性能和長期穩(wěn)定性，盡可能將它設計成一個整體結構。</p><p>　?。?）機械加工與熱處理工藝</p><p>　　彈性元件在機械加工過程中，由于表面變形的不均勻產生較大的殘余應力，切削用量越大，殘余應力就越大，磨削加工產生的殘余應力最大。因此應制訂合理的加工工藝和規(guī)定適當?shù)那邢饔昧?。彈性元件在熱處理過程中，

45、由于冷卻溫度不均勻和金屬材料相變等原因，在芯部和表層產生方向不同的殘余應力，其芯部為拉應力，表層為壓應力。必須通過回火處理工藝，在其內部產生方向相反的應力，與殘余應力相互抵消，減少殘余應力的影響。</p><p>　　（3）電阻應變計與應變粘結劑</p><p>　　電阻應變計應具有最佳性能，要求靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，熱輸出小，機械滯后和蠕變小，應變量為1500×10-6時疲勞壽命可

46、達108，電阻值偏差小，批次質量均一性好等。</p><p>　　應變粘結劑應具有粘結強度大，抗剪強度高；彈性模量較大且穩(wěn)定；電絕緣性能好；具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹系數(shù)；蠕變和滯后?。还袒瘯r膠層體積收縮小等。粘貼電阻應變計時一定要嚴格控制膠層厚度，因為粘結強度隨膠</p><p>　　層厚度的增加而降低。這是由于薄的膠層需要更大的應力才能變形，不易產生流動和蠕變，界面上的內應力很小

47、，產生氣泡和缺陷的幾率也比較小，應變傳遞性能好，只要防護密封合理就可達到較高的穩(wěn)定性水平。</p><p>　　對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應變片，也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數(shù)的自動補償片，并從外部對它加以適當?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產生非線性誤差的原因很

48、多，一般來說主要是由結構設計決定，通過線性補償，也可得到改善。 滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內使用。同時在后面放大電路，相敏檢波電路以及后面濾波電路都會有人為或者環(huán)境影響所帶來誤差。</p><p><b>　　8.小結體會</b></p><p>　　本次課程設計給了

49、我一個親自動手實踐的機會，雖然在自己動手做的過程中有很多時候感覺很迷茫，不知道從哪里突入，但經過自己的一點點查資料以及去問別人慢慢的就好了很多。這次的課程設計讓我對傳感器有了更加深刻的認識，從應變片的選擇，電路的設計以及各種參數(shù)的計算都是一點點的慢慢算出來的在這一系列的過程中對傳感器的認識以及對工業(yè)設計的艱難也有了些許了解。</p><p>　　總之這一段時間的課程設計也讓我收獲了許多，也加深了對所學知識的理解。

50、</p><p><b>　　9.參考文獻</b></p><p>　　《電阻應變式傳感器應用技術》 主編：王云章 機械工業(yè)出版社 1991年 </p><p>　　《傳感器原理及應用》 趙燕主編 北京大學出版社 2009年</p><p>　　《傳感器工作原理及應用實例》 主編：黃繼