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电阻应变式传感器的构成一、电阻应变式传感器的概述电阻应变式传感器是一种常见的力学量测量传感器，它利用材料的应变与电阻值之间的关系，将物理量转换为电信号输出。
由于其结构简单、灵敏度高、可靠性好等优点，在工业生产和科学研究中得到广泛应用。
二、电阻应变式传感器的原理电阻应变式传感器利用了材料在受力作用下会发生形变这一物理现象。
当一个金属或合金材料受到外力作用时，其形状和尺寸会发生改变，这种改变被称为应变。
而材料的电阻值与其长度、截面积及导体材料有关，当材料发生形变时，导体长度和截面积也会随之改变，进而影响其电阻值。
因此，通过测量材料在受力作用下发生的应变程度以及相应的电阻值改变大小，就可以确定外力的大小。
三、电阻应变式传感器的构成1. 应力臂：是指将外力作用于该部位，并将该部位产生的应力转移到敏感元件上。
通常采用弹性杆或弹性薄片作为应力臂。
2. 敏感元件：是指将应变转化为电信号的部分，通常采用金属或合金材料制成，其电阻值随外力的大小而发生变化。
3. 支撑结构：支撑敏感元件和应力臂，使其能够承受外力作用并保持稳定。
4. 引线：将敏感元件的电信号传输到测量仪器中。
五、电阻应变式传感器的分类根据敏感元件的不同，电阻应变式传感器可以分为：1. 金属片式电阻应变式传感器：由薄金属片组成，当外力作用于其上时，产生形变从而改变其电阻值。
2. 金属箔式电阻应变式传感器：与金属片式类似，但由多个叠加在一起的薄金属箔组成，并采用绝缘材料隔开。
3. 桥式电阻应变式传感器：由四个敏感元件组成一个桥路电路，在测量中可消除温度对测量结果的影响。
4. 液体电阻应变式传感器：利用液体在受压作用下的体积变化，改变电阻值从而测量压力。
六、电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器广泛应用于工业生产和科学研究中，例如：1. 材料力学性能测试：如金属、塑料、橡胶等材料的拉伸、压缩、弯曲等性能测试。
2. 结构安全监测：如桥梁、大型建筑物等结构的安全监测。
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”。
压力应变式电阻
压力应变式电阻是一种基于材料的电阻变化来测量压力或应变
的传感器。
它由一个金属质量的电阻片和一个硬度合适的支撑材料构成。
当受力时，支撑材料会发生微小的弯曲变形，从而使电阻片受到应变。
由于金属电阻片的电阻随应变而变化，因此可以通过测量电阻值的变化来确定所受压力或应变的大小。
压力应变式电阻具有灵敏度高、响应速度快、可靠性高等优点，因此广泛应用于航空、汽车、机械、仪器等领域中。
它可以用于测量机械结构的变形、零部件的压力、材料的变形等。
此外，压力应变式电阻还可以与其他传感器结合使用，如位移传感器、加速度传感器等，以实现更为精确的测量和控制。
- 1 -。
设计目的了解应变直流电桥的应用及电路的标定基本原理一应变片传感器电阻应变片压力传感器由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成1 应变片的工作原理电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。
当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。
这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。
把4 个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。
一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。
找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。
电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。
金属导体的电阻值可用下式表示：R LS式中： ρ——金属导体的电阻率（Ω· m ） S ——导体的截面积（ m 2） L ——导体的长度（ m ）以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面 积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变， 假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻 值便会增大。
当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加， 电阻值则会减小。
只要测出加在电阻的变化 （通常是测量电阻两端的 电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
2 全桥电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化Δ R/R ，要把电阻的变 化转换成电压或电流的变化， 才能用电测仪表进行测量。
这里使用全 桥电路，如下图所示。
采用四臂电桥， 如上图所示并设初始时 R 1 R 2 R 3 R4 R ，工作时 R 1 R 4 R 3R 2 R 时，输出为 RU o U i U iR四臂电桥的电压灵敏度为U U i二实验原理该试验就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路，实验原理如图所示，本实验只做放大器输出V0 实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）转化为压力纲（N）即成为一台原始测压力装置。
实验二应变式压力传感器的制作一、实验目的掌握应变式压力传感器的工作原理和制作方法。
二、实验设备数字万用表；试件；电阻应变片；KH—502；丙酮；乙醇；脱脂棉；镊子；砂布；放大镜；白布带；胶带；白胶布等。
三、实验原理将应变片粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。
在外力作用下，电阻丝即同弹性件一起变形，其电阻值发生相应的变化。
由此，将被测量转换为电阻变化。
由于电阻值R=ρL A⁄,其中长度L，截面积A，电阻率ρ均将随电阻丝的变化而变化。
而L，A，ρ的变化又将引起R的变化。
当每一可变因素分别有一增量dL，dA，dρ时，所引起的电阻增量为：dR=ðRðLdL+ðRðAdA+ðRðρdρ式中A=πr2，则电阻的相对变化：dR R =dLL−2drr+dρρ式中dL L⁄=ε—电阻丝轴向相对变形，或纵向应变。
dr r⁄—电阻丝径向相对变形，或称横向应变。
当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为：dr r =−vdLL式中v—电阻丝材料的泊桑比：dρ/ρ=λσ=λEε—电阻丝电阻率相对变化;E—电阻丝材料的弹性模量;λ—压阻系数。
则有：dRR=ε+2νε+λEε=(1+2ν+λE)ε由于λE很小，对同一材料，1+2ν是常数，则dRR=(1+2ν)ε由此表明了电阻相对变化率与应变成正比。
四、实验步骤（一）传感器弹性元件的设计；受力弹性元件设计为圆筒形，见图，基本参数为P=100KN ，材料：40Cr 。
技术要求：调质处理。
弹性元件的径向尺寸主要根据强度条件确定，假如最大载荷为P ，材料的许用应力为[σ]，则弹性元件承载面积F 应为： F =P [σ]⁄。
弹性元件为圆筒体，可根据结构需要先选定外径D 或内径d ，然后由下式确定d 或D ：d =√D 2−4πF =√D 2−4P π[σ]D =√4F π+d 2=√4F π[σ]+d 2 弹性元件高度H 的确定，要考虑弹性元件的应力分布均匀，稳定性及动态特性。
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。
前言 传感器技术在当代科技领域占有十分重要的地位。所谓传感器就是能够规定的被测量并按一定规律转换成可用于输出信号的器件或装置。传感器的种类很多，其中的电阻应变式传感器就是应用及其广泛的一种。 电阻应变式传感器具有悠久的历史。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感。电阻应变式传感器具有以下很多优点： 1. 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； 2. 易于实现测试过程自动化合多点同步测量、远距离测量和遥测； 3. 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量； 4. 可以测量多种物理量。 电阻应变式传感器的结构和工作原理很简单。电阻应变式式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生变形，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，测量电阻应变片的电阻值变化就可以确定被测量的大小了。 设计的传感器的技术参数： 最大量程：10MPa 精度：1级 最大工作频率：30KHz
第一章 电阻应变敏感元件的设计
1.1 电阻--应变特性
我们知道金属丝的电阻可表示为
LRR (1.1) 式中R---金属丝的电阻； ---金属丝的电阻率（·mm²/m）；
L---金属丝的长度(m); F---金属丝的截面积。如图1—1示，
图1—1金属导体受力变形情况 考虑到金属材料的泊松效应，经数学变换可以得到金属丝的电阻应变特性 dRd(12)Rx
即 dR/Rd/(12)xx （1.2） 令 dR/Rd/(12)xxKs （1-3） Ks称为金属丝的灵敏系数，表征金属丝产生单位变形时电阻相对变化的大小。由于Ks目前还不能用确切的表达式给出，因此Ks都由实验测得。实验表明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻相对变化dR/R与应变x式成正比的，故Ks是一个常数。所以式（1-3）以增量表示为 RRsxK （1-4）
金属丝做成敏感栅时，其电阻—应变特性就与直线时不同了，实验表明，应变片的RR与x的关系在很大范围内仍有很好的线性关系，即 RRxK (1--5)
式中K为电阻应变片的灵敏系数。因为应变片存在横向效应所以K< sK。 1.2 应变片的选择 1.应变片材料的选择 （1）灵敏系数sK和电阻率要尽可能高而稳定，电阻率dR/R与机械应变之间应该具有良好而宽广的线性关系，即要求sK在很大范围内位常数； （2）电阻温度系数要小，电阻—温度间的线性关系和重复性好； （3）机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小； （4）抗氧化、耐腐蚀性能强、无明显机械滞后。 制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁镍铬合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等，材料的性能见表1—1. 表1—1常见应变电阻合金材料性能表
由上表，选择康铜箔片作为敏感栅材料。康铜这种材料容易得到，价格便宜，其电阻温度系数较小。 2.应变片基底材料 基底的作用是固定应变计的敏感栅，使它保持一定的几何形状，并使电阻敏
感栅与弹性元件相互绝缘。所以它是电阻应变计的重要组成部分。应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸类逐渐被胶基（有机聚合物）取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成膜，厚约0.03—0.05mm.对基底材料性能的要求有如下要求： （1） 机械强度高，挠性好； （2） 粘贴性能好； （3） 电绝缘性能好； （4） 热稳定性好和抗湿性好； （5） 无滞后和蠕变。 所以可以选用玻璃纤维布作为基底材料。
3.引线材料
引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线，一般要求引出线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。常温应变计引出线多用镀银紫铜丝或铜带，高温应变计多采用镍铬、银、铂或铂铬等。高疲劳寿命的应变计采用铍青铜作引出线。引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。康铜丝敏感栅应变片引线采用直径为0.05—0.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。 4.粘合剂 电阻应变片工作时总是被粘贴在试件或传感器的弹性元件上。在测试被测量时粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。所以粘合剂与粘贴技术对于测量结果有直接作用。 粘合剂的要求有： （1）有一定的粘结强度； （2）能准确传递应变； （3）蠕变小； （4）机械滞后小； （5）耐疲劳、性能好 （6）长期稳定性好； （7）能够足够的稳定性能； （8）对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用 （9）有适当的贮存期 （10）有较大的使用温度范围。 在实际上不可能满足所有的要求只能针对具体条件和主要性能要求选用适当的粘合剂。 5.应变极限 对于已安装好的应变计，在一定温度下，指示应变与被测试件真实应变的相对误差不超过一定值（一般为10%)时，所能测量的最大真实应变值称为应变极限。我们要求应变片的应变极限至少要大于1000×10-6。 影响应变极限的主要因素是粘结剂和基底材料传递变形的能力，以及应变片的安装质量。为了减小此影响，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，以及合理的粘贴安装。基底和粘结剂的厚度不要太大，并应适当地进行固化处理，才能获得较高的应变极限。而工作温度的升高会使应变极限下降。 6.应变片的电阻值 是指未安装的应变片，在不同的外力作用下，在室温条件下测定的电阻值，也称为原始电阻值，单位为。应变片电阻值国内标准有：60、120、350、600和1000等各种阻值，目前传感器生产中大多数选用120 Ω 或350 Ω 的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器长期使用的稳定性。因此，在不考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。我们选用电阻值为120的 应变片。 7.应变片基长的确定 当应变波为正弦波时，其波幅测量误差e为 0000sin1plel （1--5）
上式中---正弦应变波长； 0l---应变片基长； 由上式可知，测量误差e与应变波长对基长的比值有关。为使测量误差尽量小，
使01l，将00sin/()ll展开成级数并略去高阶小量后，得 220011
66llf
e
（1—6）
金属应变片贴在试件材料上（v是常量），对于正弦波的响应误差随着栅长0l和频率f的增加而增加，按给定精度e确定0l和maxf：
0max6lle
（1—7） max06fel （1—8）
因此基长应尽量短才能更好地测量出应变值。 按照设定的最高工作频率maxf=30KHz,精度等级为1级，
0max
6elf
对于低碳钢，=5000/ms，于是0l=13mm。 1.3 应变片的结构选择 应变片的结构形式很多，主要有丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片等。下图分别是上述应变片的结构示意图。
图1--2 丝式应变片 图1—3箔式应变片 图1—4半导体应变片 比较三种电阻应变片的特点： 丝式应变片：制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。但回线式应变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。 箔式应变片：表面积大、散热性能好，静态、动态特性好，可通过较大工作电流，横向效应小，蠕变、机械滞后小，疲劳寿命高，但工艺复杂。 半导体应变片：灵敏系数大，动态特性好，但重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。 根据测量条件，选用丝式应变片作为敏感元件。 第二章 弹性元件设计 2.1弹性元件材料选择 弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换和测量，所以对它有一定要求。 在任何情况下，它应该保证有良好的弹性特性，足够的精度和稳定性，在长时间中使用和温度变化时都应该保持稳定的性能。因此对材料的基本要求是： （1）弹性滞后和弹性后效小； （2）弹性模数和温度系数要小； （3）线膨胀系数要小且稳定； （4）弹性极限和强度极限要高； （5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性； （6）具有良好的机械加工性能和热处理性能。
表2—1 常用弹性材料的温度性能
在本传感器中的弹性元件材料选择为低碳钢。 2.2 弹性元件尺寸的计算 如图2-1所示为筒式压力传感器的敏感元件
图2-1 筒式压力传感器弹性元件 由理论力学知道筒形薄壁压力容器
2cpdt （2.1）
其中 c---圆周方向的拉伸应力；
p---筒内部工作压力；
