应变式压力传感器及其应用电路设计

文章-应变计原理在压力传感器中应用及测量本文档介绍了应变的基本概念、应变计的工作原理，以及选择正确配置类型的方法。

为了正确地调理和采集应变测量，除了需要了解不同应变计配置的特征外，还必需考虑要求的硬件。

例如，应变计要求的电压激励仅在一些调理过的测量硬件上可用。

为了更好地了解应变测量所需的测量硬件。

以及应变原理在压力传感器中的应用。

应变原理机械测试和测量中，需要了解一个物体对各种力的反应方式。

应变是指材料由于受力所产生的变形量。

人们将应变定义为材料的长度变化与原始长度的比率，如图1所示。

应变既可以是正值（拉伸），也可以是负值（压缩）。

当材料在一个方向被压缩，它会向与该方向垂直的另外两个方向伸长，这就是泊松现象。

泊松比(v)是用来反映柏松现象的物理量，它表示横向应变与纵向应变之比的负值。

应变没有量纲，但有时会以in./in.或mm/mm等单位表示。

在现实中，应变的值很小。

因此，应变常表示为微应变(µε)，即ε x 10-6。

图1.应变是材料的长度变化与原始长度的比率。

四种不同类型的应变分别是：轴向应变、弯曲应变、剪应变和扭曲应变。

轴向应变和弯曲应变是最常见的应变（见图2）。

轴向应变测量材料受水平方向线性力作用产生伸长或缩短。

弯曲应变测量材料受垂直方向线性力作用产生一端伸长，另一端缩短。

剪应变测量水平和垂直方向组件受线性力作用产生的变形量。

扭曲应变测量水平和垂直方向组件的环拉力。

图2. 轴向应变测量材料如何拉伸或收缩。

弯曲应变测量一端拉伸，另一端收缩。

测量应变力应变测量有多种方法，最常见的是使用应变计。

应变计的电阻与设备的应变存在比例关系；最常用的应变计是粘贴式金属应变计。

金属应变计是由细金属丝，或者更为常见的是由按栅格排列的金属箔组成的。

格网状可以对并行方向中应变的金属丝/金属箔量进行最大化。

格网与一个被称作基底的薄背板相连，基底直接连接至测试样本。

因此，测试样本所受的应变直接传输到应变计，引起电阻的线性变化。

毕业设计说明书基于电阻应变片的称重传感器设计班姓学专指导教师：2014年 6 月基于电阻应变片的称重传感器设计摘要随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置。

目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

本文设计了一个电阻应变式的称重传感器。

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。

本设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。

应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。

关键词：称重传感器，弹性体，电阻应变片Based on the design of resistance strain gauge load cellAbstractWith the progress of technology, electronic weighing apparatus made by the weighing sensor is widely used in all walks of life, to realize the rapid and accurate for material weighing, especially with the emergence of microprocessor, the constant improvement of the industrial production process automation, weighing sensor has become a necessary device in the process control. At present, apply to almost all weighing weighing sensors.In this paper, the design of a resistance strain type weighing sensor. Resistance strain type weighing sensor is based on the principle that elastomer (elastic element, sensitive beam) elastic deformation under the action of external force, the resistance strain gauge on the surface of the paste in his (cell) also along with the deformation and deformation resistance strain gauge, its value will change (increase/decrease), and then through the corresponding measurement circuit convert the resistance to electrical signals (voltage or current), so as to complete the process of external force transform into electrical signals. The design of the weighing sensor is the change of resistance strain gauge is used to determine the small strain of elastic element, so as to use force, stress and strain the relationship between the area to determine the size of the force, then the force of the mass of the body. The change of the resistance strain gauge can be obtained through the subsequent processing circuit.Keywords: Weighing sensors, elastomer, resistance strain gauge目录1 绪论 (1)1.1 课题研究的背景 (1)1.2 国内外发展动态 (1)2 传感器的相关知识 (3)2.1 传感器概念 (3)2.2 传感器的工作原理 (3)2.3 传感器的组成结构 (5)3 电阻应变片的相关知识 (7)3.1 电阻应变片的结构和工作原理 (7)3.2 电阻应变效应 (8)3.2.1 金属材料的电阻应变效应 (8)3.2.2 电阻—应变特性 (8)3.2.3 应变片测试原理 (9)3.3 电阻应变片的种类及材料 (10)3.3.1 电阻应变片的种类 (10)3.2.2 电阻应变片的材料 (12)3.4 金属应变片的主要特性 (13)4 电阻应变式力传感器的设计 (19)4.1 柱形应变式力传感器 (19)4.1.1 利用拉伸与压缩应力的称重传感器 (20)4.1.2 柱式称重传感器的误差来源 (22)4.2 梁式力传感器 (23)5 粘贴技术及稳定处理 (27)5.1 应变片粘贴技术 (27)5.1.1 粘结剂的选择 (27)5.1.2 应变计的粘贴 (27)5.2 弹性元件材料的稳定处理 (28)6 电阻应变式传感器的信号处理电路 (31)6.1 转换电路 (31)6.2 直流电桥 (31)6.3 电路图设计 (36)6.4 电路仿真 (36)参考文献 (39)致谢 (40)1 绪论1．1 课题研究的背景现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和处理技术，也就是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”、“大脑”。

太原理工大学现代科技学院《传感器原理与应用》课程设计设计名称应变式称重传感器设计专业班级测控11-2学号 71姓名李玉堃同组人王鑫王海平设计日期 2015年1月太原理工大学现代科技学院注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。

应变式称重传感器设计摘要粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。

本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的准备。

设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（如果可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。

通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。

在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。

在某些工业中，如航天工业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。

当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很容易修正的。

如果称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并测量出这些影响量所造成的误差。

如果某部分结构（如接头、销子、压杆）用来测量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。

称重传感器设计包括许多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。

关键词：传感器，电阻应变式，称重目录第一章方案设计 (6)第二章传感器设计 (6)传感器的选择 (6)电阻应变式传感器 (7)设计分析 (8)应变片的测量电路 (8)前级放大器部分 (9)A/D转换模块 (11)控制模块 (12)显示模块 (12)键盘输入 (12)电源模块 (13)本部分总结 (14)电路原理图 (14)弹性元件的选择 (15)信号转换放大部分 (15)A/D转换部分（ICL7315） (16)单片机控制部分 (18)第三章软件设计 (18)主程序流程图 (19)第四章课设小结 (20)参考文献 (21)第一章方案设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。

应变片式压力传感器工作原理应变片式压力传感器是一种常用的压力测量设备，它通过检测物体受力而产生的应变来测量压力大小。

其工作原理基于材料力学中的应变-应力关系。

应变片式压力传感器的工作原理可以分为两个主要步骤：应变测量和压力计算。

首先，应变片感知物体受力后产生的应变。

应变片是一种特殊的电阻材料，通常由金属或半导体材料制成。

当物体受力时，应变片会发生微小的形变，从而产生应变。

应变片上的电阻值会随着应变的变化而发生相应的变化。

为了测量应变片上电阻的变化，常用的方法是采用电桥电路。

电桥电路由四个电阻组成，其中一个电阻是变化的应变片电阻，其余三个电阻是固定的。

当应变片受到应变时，电桥电路中的电阻差会导致电压差的产生。

这个电压差可以通过测量电桥电路的输出电压来得到。

接下来，根据应变和压力之间的线性关系，可以通过压力传感器的校准曲线来将输出电压转换为压力值。

校准曲线可以通过实验测量获得，将已知压力值与输出电压值进行对应，获得一个压力-电压的关系曲线。

当测量到的输出电压通过校准曲线转换后，就可以得到物体所受的压力值。

应变片式压力传感器的精度和灵敏度主要取决于应变片的材料和几何形状。

常用的应变片材料有金属（如钢、铜、铝）和半导体材料（如硅）。

不同的材料具有不同的力学性质，因此适用于不同范围的压力测量。

此外，应变片的形状和布局也会影响传感器的灵敏度和响应速度。

需要注意的是，应变片式压力传感器在使用过程中还需要考虑温度对其性能的影响。

由于材料的热膨胀性质，温度变化会导致应变片的形变，从而产生误差。

为了解决这个问题，常见的方法是在应变片上加热敏电阻，通过测量电阻值的变化来补偿温度的影响。

应变片式压力传感器通过检测物体受力而产生的应变来测量压力大小。

其工作原理基于应变测量和压力计算两个步骤。

通过测量应变片上电阻的变化，并将输出电压转换为压力值，可以实现对压力的准确测量。

在实际应用中，还需要考虑材料的选择和温度补偿等因素，以提高传感器的性能和精度。

说明应变式压力和力传感器的基本原理
应变式压力传感器是一种基于材料的应变效应来测量压力的装置。

其基本原理是根据压力的作用，使传感器内的感应元件（通常为金属片、铂阻、半导体晶体等）产生变形，通过测量这种变形来确定压力的大小。

具体原理如下：
1. 压力作用下的应变效应：当外力作用在物体上时，物体会发生应变，即形状和尺寸发生变化。

应变分为压缩应变和拉伸应变两种，其大小与施加在物体上的压力成正比。

2. 应变测量：应变式压力传感器内部通常有一个弹性敏感元件，例如弹性金属片或细丝。

当外力施加在传感器上时，敏感元件会发生弹性变形，形成压缩或拉伸的应变。

3. 应变电桥：应变式压力传感器通常采用应变电桥来测量应变的大小。

应变电桥是由多个电阻组成的电路，其中包括一个感应元件和额外的参考电阻。

当感应元件发生应变时，感应元件上的电阻值也会发生变化，从而引起电桥电路的不平衡。

4. 输出信号：当应变电桥发生不平衡时，输出信号将产生。

这个不平衡信号可以是电流或电压变化，其大小与应变量呈线性关系。

通过测量不平衡信号的大小，可以确定外加压力的值。

5. 校准和放大：为了提高传感器的灵敏度和精度，通常需要对传感器进行校准和放大。

校准过程将不平衡信号与已知压力值进行比较，以建立压力与信号之间的关系。

放大器可以将传感
器输出信号放大到可测范围内，以便进行后续处理或显示。

综上所述，应变式压力传感器通过测量感应元件的应变量来间接测量压力的大小。

根据感应元件的不同材料和结构，可以设计出不同类型的应变式压力传感器，如压电式、电阻应变式、半导体式等。

CFBLY轮辐压力传感器就是一款应变片式压力传感器，其工作原理是运用了应变式，量程是200kg~100t之间，已经广泛应用于工业系统中力的测量和天车秤、轨道衡、料斗秤等各种称重、测力的工业自动化测量控制系统。

应变式压力传感器，从字面了解，其应变式是原理，其压力传感器是产品类型，而CFBLY轮辐压力传感器就是这样的一款传感器。

1、应变式原理
其内部基本构造一般是由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。

敏感栅由直径为0.01-0.05mm、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。

敏感栅用粘合剂将其固定在基底上。

基底的作用应保证将构件上应变准确地传递到敏感栅上去。

因此它必须作得很薄，一般为
0.03-0.06mm，使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起。

2、压力传感器外形尺寸简图：
3、压力传感器主要量程型号：
蚌埠高灵传感系统工程有限公司在自主创新的基础上开发生产出力敏系列各类传感器上百个品种，各种应用仪器仪表和系统，以及各种起重机械超载保护装置，可以广泛应用于油田、化工、汽车、起重机械、建设、建材、机械加工、热电、军工、交通等领域。

公司除大规模生产各种规格的高精度、高稳定性、高可靠性常规产品外,还可根据用户具体要求设计特殊的非标传感器,以满足用户的特殊要求。

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电阻应变式压力传感器工作原理
电阻应变式压力传感器是一种常用的压力测量装置，其工作原理基于电阻应变效应。

在电阻应变式压力传感器中，一种常见的构造是将弹性元件与电阻结合在一起。

当受到外部压力作用时，弹性元件会发生弯曲或变形，导致电阻的阻值发生改变。

这是因为弹性元件上的电阻是以导电薄膜形式存在的，而变形会导致导电薄膜的长度、宽度或电阻率发生变化。

当外部压力作用结束后，弹性元件会恢复到原来的形状，电阻的阻值也随之恢复。

通过测量电阻的变化，可以确定外部压力的大小。

为了实现更准确的测量，常常采用电桥测量电路来检测电阻的变化。

电桥中包含了一个标准电阻和一个未知电阻（即弹性元件上的电阻）。

当两者的阻值相等时，电桥平衡，输出电压为零。

而当受到外部压力作用时，弹性元件上的电阻发生变化，导致电桥不再平衡，输出电压不为零。

通过测量输出电压的变化，就可以确定外部压力的大小。

电阻应变式压力传感器具有灵敏度高、测量范围广、工作稳定等优点，因此被广泛应用于工业自动化控制、航空航天、交通运输等领域。

应变式压力传感器的工作原理应变式压力传感器是一种常用的压力测量设备，其工作原理是利用应变测量压力的大小。

应变式压力传感器可以转换物体受力后产生的变形量，通过信号输出来描述被测物体所受的力大小。

应变式压力传感器通常由两个主要组成部分构成：弹性元件和传感器元件。

弹性元件在受力后会发生变形，从而产生应变。

传感器元件则是将应变转换成电信号的装置。

在应变式压力传感器中，压力作用在弹性元件上，使其产生应变。

弹性元件的应变效应通常是线性的，可以精确测量受力的大小。

压力作用在弹性元件上时，其应变会导致弹性元件电阻的变化。

这种变化可以通过一个电桥来检测。

在这个电桥中，一个电源将电流通过电桥中的两个对角线。

如果四个电阻都是相等的，则电桥平衡。

当应变作用于弹性元件时，电桥电阻的值会发生变化。

此时电桥就会失去平衡，产生输出电压，从而测量压力大小。

应变式压力传感器需要考虑材料的弹性特性和灵敏度等方面的因素。

材料的弹性特性直接影响传感器的精度。

当受力物体的弹性系数很小时，弹性元件的变形会很小，这需要使用相对于受力物体更灵敏的弹性元件。

此时，需要选择具有高灵敏度的传感器。

应变式压力传感器的额定负载是指受力物体可以承受的最大值。

如果受力超过这个额定负载，传感器就会损坏。

对于应变式压力传感器来说，其额定负载通常是指受力物体可以承受的最大压力大小。

应变式压力传感器的优点是具有可靠性高、精度高、体积小、重量轻、输出稳定和易于安装等优点。

它被广泛应用于机械、建筑、铁路、自动化控制、汽车工业和电子仪器等领域。

在机械领域中，应变式压力传感器通常被用于工业自动化控制中，比如机床的控制、机器人的动作控制以及汽车工业中的制动压力控制等。

应变式压力传感器也可以用于构造材料的强度测试，如混凝土的抗压强度测试等。

在建筑行业，应变式压力传感器也被广泛应用于建筑结构的负载测试和安全监测。

比如测量建筑物受正常荷载或风吹雨打时的变形情况，或者检测建筑物在地震或风暴等极端情况下的变形情况。

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2014届毕业生毕业论文题目：电桥在应变式传感器中的应用研究与分析院系名称: 专业班级：学生姓名：学号: 指导教师：教师职称:年月日目次（4号黑体，居中）1 引言（或绪论)(作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同） (1)2 ××××××（正文第2章）……………………………………………………Y 2.1 ××××××（正文第2章第1条）…………………………………………Y 2。

2 ××××××（正文第2章第2条）………………………………………… Y2.X ××××××（正文第2章第X条) ………………………………………… Y3 ×××××（正文第3章）……………………………………………… Y ………………………………………（略）X ×××××(正文第X章）……………………………………………………… Y 结论…………………………………………………………………………………… Y 致谢…………………………………………………………………………………… Y 参考文献………………………………………………………………………………Y 附录 A ××××(必要时）………………………………………………………… Y 附录 B ××××（必要时）………………………………………………………… Y图 1 ×××××(必要时)………………………………………………………… Y 图 2 ×××××（必要时）………………………………………………………… Y表 1 ×××××（必要时）………………………………………………………… Y 表 2 ×××××（必要时)………………………………………………………… Y注:1。

四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。

1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。

箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm。

丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。

测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。

如下图所示。

B为栅宽，L为基长。

材料的电阻变化率由下式决定：R Ad d d（1）R A式中；R—材料电阻由材料力学知识得；[(12)(12)]dRR C K (2)K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得RLK K R L (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。

1.3电阻应变式传感器的分类及特点测低压用的膜片式压力传感器常用的电阻应变式压力传感器包括测中压用的膜片——应变筒式压力传感器测高压用的应变筒式压力传感器1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。

应变片式压力传感器的应用领域应变片压力传感器，也称为应变片压力传感器或应变片压力变送器，由于其多功能性，准确性和可靠性，在各个行业中都有应用。

这些传感器利用应变片技术来测量膜片或传感元件在压力下的变形或应变，将施加的压力转换为电信号。

应变式压力传感器的应用横跨多个领域，包括但不限于:汽车工业:发动机性能监测:应变计压力传感器用于测量歧管绝对压力(MAP)或进气歧管压力在内燃机燃油喷射控制，涡轮增压器增压控制，和发动机诊断。

胎压监测系统(TPMS):胎压监测系统采用应变式压力传感器监测胎压，并提醒驾驶员轮胎充气不足或过度充气，提高车辆安全性和燃油效率。

工业自动化:液压和气动系统:应变式压力传感器用于监测液压和气动系统的压力水平，确保最佳性能并防止过载或系统故障。

过程控制:这些传感器在制造业、化学加工、石油和天然气等过程工业中起着至关重要的作用，在这些工业中，精确的压力测量对于控制过程和保持产品质量至关重要。

航空航天:飞机仪表:应变式压力传感器集成到飞机系统中，用于测量空速，高度，客舱压力和液压系统压力，有助于飞行安全和性能。

空间探索:这些传感器用于航天器和卫星，用于监测推进系统、生命支持系统和科学仪器的压力，使太空任务和研究工作成为可能。

医疗保健:患者监护:应变式压力传感器用于医疗设备，如呼吸机、麻醉机、血压计和输液泵，用于测量呼吸压力、动脉压力和流体压力，促进患者的护理和治疗。

生物力学研究:这些传感器用于生物力学研究和运动科学，以测量鞋类，矫形设备和假肢的压力分布，帮助设计和优化产品，以提高舒适性和性能。

环境监测:气象站:应变式压力传感器集成到气象站和气象仪器中，用于测量大气压力、温度和湿度，为天气预报和环境监测提供数据。

水和废水管理:这些传感器用于配水系统，污水处理厂和环境监测网络，以测量水压，流速和水位，确保水资源和基础设施的有效管理。

能源和公用事业:石油和天然气勘探:应变式压力传感器部署在油气井、管道和炼油厂中，用于监测井口压力、管道完整性和过程安全性，优化生产操作，最大限度地降低环境风险。