专科毕业论文（设计）题目：电阻应变式传感器的原理与应用系院：电子工程系学生姓名：王宇鹏学号：0861520226专业：应用电子年级：3年级完成日期：11月29日指导教师：樊翠玲电阻应变式传感器设计原理与应用电阻应变式传感器概述以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。
电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。
弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。
电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器（见转矩传感器）、应变式位移传感器（见位移传感器）、应变式加速度传感器（见加速度计）和测温应变计等。
电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。
因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。
电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。
电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。
半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
关键词：应变片；电阻；组桥方式；误差补偿目录电阻应变式称重传感器原理一、电阻应变片二、弹性体三、检测电路称重传感器的选择应变片的粘贴技术电阻应变片选用方法与原则应变片的组桥方式温度补偿电阻应变式称重传感器原理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[2]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。
由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
下面就这三方面简要论述。
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。
他的一个重要参数是灵敏系数K。
我们来介绍一下它的意义。
设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。
当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：R = ρL/S（Ω）（2—1）当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。
设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。
此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。
对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。
我们有：ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2）用式（2--1）去除式（2--2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –ΔS/S （2—3）另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则Δs = 2πr*Δr，所以ΔS/S = 2Δr/r （2—4）从材料力学我们知道Δr/r = -μΔL/L （2—5）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。
μ是表示材料横向效应泊松系数。
把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L= K *ΔL/L （2--6）其中K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７）式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。
需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。
在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便常常把它的百万分之一作为单位，记作με。
这样，式（２--６）常写作：ΔR/R = Kε (2—8)二、弹性体弹性体是一个有特殊形状的结构件。
它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。
以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。
设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。
肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。
主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。
下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。
ε = （3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3）（2--9）其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。
需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。
三、检测电路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，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。
因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
称重传感器的选择：TR系列TR 系列（GEFRAN）称重传感器用于测量在机械引导滚筒上的上经常用来缠绕用的张力塑料膜或胶带的张力。
它可以安装在机械底盘上的固定和传送轴上，它对末端轴所起到的作用是一个压力敏感元件和负载的功能。
它可以用于固定和旋转两种轴上。
TR 系列传感器可与固定的，4 M6 螺纹或中心螺纹是与M10或M12 的适配法兰一起供货。
主要特征：测量范围为从 100N 到 2KN精度等级：0.5%抗腐蚀内部形成的校准信号最小灵敏度轴线方向是从固定孔开始的35 度。
保护等级：IP65（DIN40050）形成过载保护TC系列TC 系列负载单元是张力测量传感器，它常用于静态测量和动态测量，压缩形式，具有较好的精度。
它的机械部分是由一整块的金属部分组成，所以这个基本的测量元件和它的外壳部分没有焊接过程，从而使尺寸更小，并且加强了保护等级，这种点部测量的结构，具有8 个张力测量，减少因负载的不完善的应用带来的误差。
并联的称重元件的典型应用是：贮藏箱、加料斗、大的称重平台。
不锈钢结构适合于石油化学和化学工业中攻击性环境的应用。
主要特征：测量范围为从 100 到 20.000Kg精度等级：0.2%全部不锈钢结构抗腐蚀内部形成的校准信号保护等级：IP67（DIN40050）TU系列TU 系列负载单元是张力测量传感器，它常用于静态测量和动态测量，压缩形式，具有较好的精度。
所有变送器的每个负载单元质块（Kg）经过校准。
TU 系列准负载从50Kg 到1 吨的均可供货。
这种型号具有IP67 的保护等级，所以它可以用来使用到一些具有危险的化学工业中，它的机械部分是由一整块的金属部分组成，所以没有焊接过程。
这意味着它可以高度防止机械冲击和振动。
这种致密的尺寸意味着这些单元可以使它放置在难于进入和空间较小的位置。
主要特征：测量范围为从 50 到 1000Kg精度等级：0.2%全部不锈钢结构抗腐蚀保护等级：IP67（DIN40050）应变片的粘贴技术在电测技术中，应变片粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大，是一个非常关键性的环节，必须予以注意．为提高电测结果的准确性，我们应在应变片的粘贴过程中做到认真操作，一丝不苟．应变片的种类很多，有金箔式、丝式、薄膜式、半导体式．鉴于目前在电测实验中较为常用的电阻应片是金箔式应变片(以下简称箔式应变片)，下面我们就以箔式电阻应变片为例，谈一谈电测应力实验中应变片的粘贴技巧．箔式应变片是用厚变为0．0o3～0．01mm 的康铜或镍铬箔片借光刻和腐蚀工艺制作成栅状，它由电阻丝、基片和引出线三大部分组成(如图1)．这种应变片由于其具有线条均匀、灵敏度分散性小，测试范围广等优点，故而得到广泛应用．在做电测实验之前，我们面临的第一个问题是如何选择正确的应变片．由于箔式应变片的主要参数指标有：应变片的几何尺寸(包括敏感栅基长、应变片基底长、敏感栅基宽、应变片基底宽)、名义阻值、灵敏度系数、允许电流、线性度、滞后、零漂、极限应变等，能否正确选择适当正确的应变片将直接影响到电测法的测试结果．为合理选用应变片，我们应对其性能作一些了解．一般而言，大尺寸的应变片，能感受较多的平均应变量，有利于测量精度的提高；小尺寸的应变片，虽然感受平均应变量较少，但能较好地反映出“点”的应力，所以对于应变片尺寸的选择，应根据构件受力后的应力分布情况和构件自身相关尺寸来决定．在选好应变片准备粘贴之前，我们应对应变片作严格仔细地检查，检查的内容包括：(1)应变片的外形检查，即检查应变片是否存在断路、短路现象、片中各部位是否有损伤、折断发生、片内是否夹有气泡或霉变现象等等．(2)应变片电阻值的检测．为保证使用的应变片的电阻误差不超过允许范围(这个范围通常在±0．5Q)，可事先用精度较高的欧姆表或采用直流电桥对其进行检测，以免因同组使用的应变片的阻值误差太大而造成测量结果欠准．(3) 检查应变片上是否标有中心线．若无，则应在其基盖上补画出纵、横线条，这样可方便粘贴应变片．与此同时，被测试件的表面上应划出定位线。
以确保应变片的粘贴到位．若被测试件的表面质量不高，将会影响应变片的粘贴，为此，我们应用刮刀或锉刀清除被测点处的氧化皮及污垢，然后用细砂皮纸在试件粘贴部位(一般应大于应变片面积3～5倍左右的表面)进行打磨，沿贴片方向打出45。
交叉纹，以保证表面的足够光滑，最后用划针在被测点处进行画线，从而保证应变片能牢固顺利地粘贴．粘贴应变片前，还需用脱脂棉球蘸上清洁溶剂，如丙酮、无水酒精、四氯化碳等溶剂擦洗被测点处的油污，直至棉球上无明显油渍为止，且注意此时勿用手触摸清洗后的表面．然后在应变片的粘贴面处涂上薄薄一层胶水，如KH501、KH502胶，一般宜薄不宜厚．将应变片的方位线对准事先在试件上的划线，此时应密切注意应变片的方位线与试件的划线是否重合，这时可在应变片上盖上一层透明纸(或腊纸)，一一只手捏住应变片的引出线，另一只手的手指反复轻轻滚压透明纸表面，以便将里面多余的胶水和气泡挤出．滚压应变片时切记不能垂直用力，不能产生滑动或转动，待胶水和气泡被完全挤出后，还应保持手指不动约一分钟左右．当然也可以在试件表面盖上一层玻璃纸，然后垫上一块硅皮，用夹具或平整的压块轻压应变片的粘贴处，这些做法的目的均是为了保证应变片在粘贴过程中不发生错移，保证其方位线与被测试件测试点处的定位线完全重合．粘贴后的应变片可让其在室温中自然干燥15至24h．为节省时间，也可在自然干燥数小时后，用红外线灯进行烘烤，但温度应控制在不超过40。