S S = ST = SC
+ SS A B + SS A
ST
B
θ
2θ
+ 45°
D C
SC
0
ST
D C SC
SS
图 2：莫尔圆及应变片分布简图
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莫尔圆表明切应力的最大值与处于拉伸状态的主应力的最大值是相等的， 并 且与梁的中性轴成 45 °方向。应变计是测量主应力产生的应变，因此应变计也 同样应与中性轴成 45 °，如图 2 所示。此图同样表明一个没有载荷作用的平面 部分正方形单元，当有载荷作用时正方形会变成菱形，使得一个应变计处于拉伸 状态，而另一个应变计处于压缩状态。请注意应力是双轴的，其处于拉伸状态的 主应力的轴向应变值不但与 ST 成正比，而且随泊松比 µS C 而增加：
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1、传感器设计原理及方案确定
1.1 传感器设计原理
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器 件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直 接感受被测量的部分， 转换元件指传感器中能将敏感元件输转换为适于传输和测 量的电信号的部分。 基于以上原理，传感器的设计要遵循以下原则： (1) 能满足被测非电量的获取和转换需要，即满足设计任务的要求。 (2) 能消除被测参数以外的干扰量，即保证一定检测精度要求。 (3) 保证工作稳定、可靠的简单结构。 (4) 易于实现。
敏Байду номын сангаас元件
中间变量
转换元件
电阻 ∆R
电源
转 换电 路
输出电压
x ( s)
H1 ( s )
σ、ε
H 2 ( s)
H 3 (s)
U0
y ( s)
U
U
图 1：多级变换传感器结构图 因 y ( s) = H ( s ) x ( s ) = f [H1 ( s)，H 2 ( s )，H3 ( s) ]·x ( s) ; 故传递函数为：
·
∆R = k0 R ε
(3)
U ∆R 电桥输出 U 0 = ，故 4 R H 3 ( s) =
由(1) 式可知
U0 U = ∆R 4 R
(4)
1 y ( s) = H ( s ) x ( s ) = k1k 0Ux( s ) 即 4 kkU U 0 = 1 0 ·F = f ( F ) k ， k ，U =常数 0 1 4
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目录
绪论................................................................................................................................. 1 1、传感器设计原理及方案确定......................................................................................... 2 1.1 传感器设计原理................................................................................................... 2 1.2 传感器的构成....................................................................................................... 2 1.3 任务分析.............................................................................................................. 3 1.4 设计方案分析....................................................................................................... 3 1.4.1 敏感元件部分............................................................................................. 3 1.4.2 转换元件部分............................................................................................. 7 1.4.3 转换电路部分............................................................................................. 8 1.4.4 调理电路的设计.......................................................................................... 9 1.5 方案确定.............................................................................................................. 9 2、参数确定及型材选择.................................................................................................. 10 2.1 S 型剪切梁的设计............................................................................................... 10 2.2 电阻应变片的设计及选用.................................................................................... 13 2.3 转换电路供桥电压的确定.................................................................................... 14 2.4 调理电路参数的确定........................................................................................... 16 3、误差分析................................................................................................................... 17 3.1 电阻应变片的误差.............................................................................................. 17 3.1.1 电阻应变片误差来源................................................................................. 17 3.1.2 温度误差的补偿........................................................................................ 18 3.2 信号处理电路的误差........................................................................................... 18 4、传感器整体结构设计.................................................................................................. 19 5、总结.......................................................................................................................... 20 参考文献........................................................................................................................ 20
1.2 传感器的构成
传感器的基本功能是获取所需信息、转换所需信息。根据被测信号 种类不同及不同精度的要求，可以设计不同构成方法的传感器。常见的构成 方法分为有：基本型、电路参数型、多级变换型、参比补偿型、差动结构、反馈 型结构等。多级变换型具有很高的设计自由度，可设计出适用于各种工作条件的 测量各种非电量参数的传感器。因此，在本设计中，先确定了多级变换型传感器 方案，其结构如图 1 所示： 输入 F
1.4 设计方案分析
由图 1 可知，该设计采用的多级变换型传感器有很高的自由度，可以对敏感 元件部分、转换元件部分、转换电路部分分别设计，从而具有多种方案。
1.4.1 敏感元件部分
剪切式传感器敏感元件所传递的是剪切应变，剪切应变是一个角应变，不能 像轴向应变那样进行测量，只能间接测量。莫尔圆有关纯剪切应力情况及应变计 粘贴简图如图 2 所示。
(5)
可见，当参数确定后，输出电压 U 0 是被测力的单值函数。
1.3 任务分析
本次课设任务为设计一个剪切式电阻应变力 / 称重传感器。因此，其敏感元 件的工作原理为剪切力的测量与转换。剪切应力本身不能测出，而是通过测量与 元件中心轴线相互垂直的两个应力——拉伸应力和压缩应力， 因此相对于弯曲型 剪切式具有更大的量程。本次设计的量程为 3KN-300KN，精度保证在 0.05%F· S~0.015%F·S。 传感器的精度由敏感元件、应变片、测量电桥等部分的精度共同确定。在传 感器设计时要校核敏感元件的强度、考虑到应变片的散热、蠕变、测量电桥的误 差等因素，从而得到传感器设计精度。