电阻应变片式传感器组成的电子秤毕业论文

电阻应变片式传感器组成的电子秤毕业论文内容摘要：

（ 24） 所以金属丝的灵敏度系数为 (25) 电阻 应变片的特性 电阻应变片 电阻应变片有金属应变片和半导体应变片两种。 传统的金属应变片又分为丝式和箔式两种。 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 半导体应变片的灵敏度系数一般高于金属应变片，但稳定性不如金属应变片。 图 22(a)、 (b)、 (c)分别是丝式应变片、箔式应变片和半导体应变片的结构。 丝式、箔式应变片的结构特点是将敏感应变的电阻丝用不同的工艺方法制作成栅状。 图 22 金属电阻应变片的结构 金 属应变片对电阻丝材料有较高的要求，一般要求灵敏度系数大， 电阻温 系数小，具有优良的机械加工和焊接性能等，康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。 根据应变片应变测试方向的不同，应变片有多种结构形式，主要有正向、切向、 45176。 方向、圆周方向等形式的应变片。 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的，这就要求粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件的应变传递到敏感栅上。 选择粘结剂时必须考虑应变片和被测件的材料性能，要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，电绝缘性良好，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化等。 常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。 传统的 丝式金属应变片已经很少见，目前常用的是箔式金属应变片 这 种应变片的制作方式有蚀刻、蒸发和溅射等工艺。   )21(RRRRk /12k     第 5 页 应变片的阻值通常在一百欧姆到几千欧姆之间，金属应变片阻值较小，半导体应变片阻值较大。 应变片通常要求有较高的绝缘电阻，一般在 50~100 MΩ以上。 应变片的最大工作电流是指应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。 工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。 但工作电流过大会使应变片发热，使灵敏度系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。 工作电流的选取要根据试件的导热性能、工作环境温度及敏感栅形状和尺寸 来决定。 通常直流静态测量时取 25mA 左右，交流或间隙测量时可适当取高 当具有初始电阻值 R 的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化Δ R/R。 实验表明，在弹性变形范围内，Δ R/R 与轴向应变ε x 的关系满足下式 : (26) 定义 K=(Δ R/R)/ε x 为应变片的灵敏度系数。 它表示安装在被测试件上的应变片在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化Δ R/R 与其单向应力引起的试件表面轴向应变ε x 之比。 由于受到敏感栅结构形状、成型工艺 、粘结剂和基底性能的影响，应变片的灵敏度系数 K 通常小于相应敏感栅整长应变丝的灵敏度系数 k。 其中最主要的影响因素是敏感栅的结构形状，尤其是栅端圆弧部分横向效应的影响。 横向效应 如 图 23(a)所示，应变片粘贴在被测试件上时，其敏感栅由 n 条长度为 l1 的直线段和端部 n1 个半径为 r 的半圆弧组成，则敏感栅对应的金属丝长为 nl1+(n1)π r。 当将敏感栅与等长度直线状的金属丝置于同样的轴向应变 ε x 下，并比较其电阻变化时，敏感栅中直线部分 nl1 与等长度直线状金属丝产生的电阻变化是一致的，但敏感栅的半 圆弧段则受到从 ε x 到 εy(图中 ε y=με x)之间变化的应变，有的拉伸，有的反而压缩，其电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度金属丝电阻的变化。 图 23 应变片轴向受力及横向效应 (a)应变片轴向受力图； (b) 应变片的横向效应 tR KR   第 6 页 综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅端部的结构导致电阻变化减小，因而其灵敏度系数 K 较整长电阻丝的灵敏度系数 k 小，这种现象称为应变片的横向效应。 应变片是利用敏感栅直线段的应变 ——电阻变化完成应变测量的，转弯段不仅降低了灵敏度，还带来测量误差。 为了消除转弯段的影响，减小横向效应，可使转弯段 “短路 ”或尽量使转弯段本身的阻值降低，为此，一般多采用箔式应变片的结构，它的转弯段与直线段相比要宽大得多，如 图 42(b)所示的结构。 应变片的温度误差及补偿 ⑴ 应变片的温度误差 ① 电阻温度系数引起的阻值变化 当金属电阻丝的温度变化时，其电阻也将改变。 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可表示为 Rt=R0(1+α 0Δ t) (27) 式中： Rt 是温度为 t 时的电阻值； R0 是温度为 t0 时的电阻值； α 0是金属丝的电阻温度系数 当温度变化Δ t 时，电阻的变化为 Rα =RtR0=R0α 0Δ t (28) 式中，Δ t 为温度的变化值，Δ t=tt0。 ② 电阻 丝和应变试件线膨胀系数不同引起的阻值变化 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为 0℃时的长度均为 L0，它们的线膨胀系数分别为 β s 和 β g，若两者不粘贴，温度变化后的长度分别为 电阻丝： Ls=L0(1+β sΔ t) 试件： Lg=L0(1+β gΔ t) 粘在一起时，电阻丝跟随试件改变，附加应变为 (29) 附加的电阻变化是 (210) ③ 温度系数和线膨胀系数引起的虚应变 由式 (28)和式 (210)，可得由于温度变化而引起的应变片电阻相对tL LLL L SgSg  )(00  00 ()gSR KR KR t        第 7 页 变化总量为 (211) (211)式中，α为应变片粘贴后的当量电阻温度系数，有 α =α 0+K(β gβ s) (212) 对应的虚应变为 (213) ⑵ 电阻应变片的温度补偿 ① 自补偿法 自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片 (称之为温度自补偿应变片 )来进行补偿的。 由式 (212)可知，如果 应变片金属丝的电阻温度系数 α 0 满足 α 0=K(β gβ s) (214) 则温度引起的虚金属丝应变为零，可实现自补偿。 由于应变片金属丝的电阻温度系数 α 0 与应变栅材料、退火温度等有关，因此当被测试件的线膨胀系数 β g 已知时，如果合理选择敏感栅材料，控制相关工艺参数，即可使电阻温度系数 α 0 满足式 (214)的条件。 ② 线路补偿法 应变片一般用电桥作为转换电路，如 图 24 所示。 该电路为单臂电桥， R1 是应变片，其余为同阻值 的固定电阻。 如果 R2 处接入一个与 R1 具有相同温度虚应变的电阻，则可起到温度补偿的作用。 一般地，通过在不受力的试件上粘贴另一片应变片接入 R2 位置而达到温度补偿的目的。 如果采用半桥、全桥转换电路，电桥本身就能自补偿。 另外，将热敏电阻接入电路，通过热敏电阻随温度变化而引起的电阻变化调整供桥电压，使之与温度变化引起的输出变化方向相反 (可选择正温度系数或负温度系数的热敏电阻 )，也能起到补偿作用 图 24 单臂电桥转换电路 0tt RR tKK   000 ()t gSRRR t K t tRR                第 8 页 电阻应变式传感器的测 量电路 直流电桥 ⑴ 电桥平衡条件和调零 直流电桥转换电路如 图 25(a)所示。 当 RL=∞时，输出电压为 (215) 电桥达到平衡时，输出电压为零，令 Uo=0，由式 (215)得 (216) 式 (216)即为直流电桥的平衡条件。 图 25 直流电桥转换电路和调零电路 当式 (216)不满足时，输出电压 U0 不为零，此时需要调零电路完成调零。 图 25(b)是典型的直流 Rr 可以补偿 RR R R4 间的不平衡。 ⑵ 电桥的电压灵敏度 ① 单臂电桥的电压灵敏度 单臂。