电阻应变式称重传感器的设计

昆明理工大学

《自动检测技术及仪表》课程设计题目：电阻应变式称重传感器的设计

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摘要 (2)

一、称重传感器 (2)

1、简介 (2)

2、种类 (3)

二、电阻应变式称重传感器及其设计 (3)

1、电阻应变式称重传感器简介及工作原理 (3)

2、传感器的设计概述 (5)

3、设计传感器的工作原理 (6)

4、传感器弹性元件结构 (7)

5、传感器测量电路 (8)

6、传感器的特性 (9)

7、称重传感器常用技术参数 (11)

8、传感器设计相关参数选择 (13)

9、应用技术及应用领域 (16)

三、总结 (17)

四、参考资料 (17)

摘要

称重传感器是电子衡器的核心部件，随着称重传感器技术不断发展和应用领域不断扩大，传感器越来越为人们所关注。本文通过对传感器工作原理、分类及应用等的分析，介绍了一种基于双孔梁称重的电阻应变式传感器。它可称量被试木材在某一时刻的重量，以计算该试材在该时刻的含水率。该方法的准确度和稳定性不受木材材性影响，且与木材含水率不均性无关。

一、称重传感器

1、简介

称重传感器是知识密集、技术密集和技巧密集型的高技术产品。研制和生产所涉及的内容多、离散大，技术密集程度高，边缘学科色彩浓，是多种学科相互交叉、相互渗透的结晶。称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。

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，从以前不能称重的大型罐、料斗等重

量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器。目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

2、种类

称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

二、电阻应变式称重传感器及其设计

1、电阻应变式称重传感器简介及工作原理

电阻应变传感器由电阻应变片和测量线路两部分组成，其中电阻应变片感应被测量压力（包括扭矩、荷重、拉力），并在外力作用下产生弹性形变导致电阻值发生改变，它是将力转换成电阻变化的检测元件；测量线路将变化的电阻转换为电信号，实现被测压力的最终指示和信号远传。由于应变测量方法灵敏度高，测量范围广，频率响应快，既可用于静态测量，又可用于动态测量，尺寸小、重量轻，能在各种恶劣环境下可靠工作，所以被广泛地应用于各种力的测量仪器和科学实验中。电阻应变式传感器（straingauge type transducer ）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。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。

工作原理如下：电阻应变式称重传感器通常将金属弹性体作为力转换为应变的元件。弹性体(弹性元件)在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电压信号，从而通过力、应变、电阻变化、电压信号变化这四个环节，完成将外力转变为电信号的过程。由此可见，弹性体、电阻应变片和测量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。

(1)电阻应变片是将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。其重要参数是灵敏系数K，K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、尺寸及大小无关。当电阻丝受力变形后，电阻率也会有所改变，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)之间的关系如下所示： (式一)

上述关系式又常写作：

(2)弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先，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及电阻变化任务。

(3)测量电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转换为电压变化输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，可比较方便的解决称重传感器的温度、蠕变和零点偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。而惠斯登全桥式等臂电桥的灵敏度高，且各臂参数一致，各种干扰的影响易于控制，因此应变式称重传感器的应变片一般均采用惠斯登全桥式等臂电桥联结方法，如下图所示。

惠斯登电桥图

图中，输入阻抗是正负拱桥端子(E+、E一)之间的电阻，输出电阻是正负信号端子(S+、S一)之间的电阻，其中正负拱桥端子(E+、E 一)之间的电压Ui和正负信号端子(S+、S一)之间的电压U。的关系如下所示： (式二)

当传感器没有受力时，桥路平衡，信号输出为零，当传感器受到压力时，由于应变片发生变形，桥路阻值发生变化，桥路失去平衡，信号端就有微弱电压信号输出。

2、传感器的设计概述

设计一种基于双孔梁称重的电阻应变式传感器。它可称量被试木

材在某一时刻的重量，以计算该试材在该时刻的含水率。该方法的准确度和稳定性不受木材材性影响，且与木材含水率不均性无关。

称重方法是测量木材含水率的直接方法，而称重传感器是采用此法的关键仪器，利用称重法获得木材检验板在某一时刻的重量后，就可根据木材含水率的定义式，计算木材在该时刻的含水率。

称重法和其它方法相比具有明显的优越性：首先，称重法是测量木材含水率的直接方法，测量的准确度和稳定性与木材本身的性质无关，消除了木材含水率不均匀对测量结果的影响，测量的准确度和稳定性能得到保证。其次，称重法是测量木材含水率的定义方法，测量范围由称重传感器的称重量程决定，只要称重量程选择合适，木材含水率的测量范围就没有限制。

电阻应变式称重传感器是把电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥而将力(重量)转换成电信号的转换元件。

电阻应变式称重传感器主要曲两部分组成。一部分是弹性敏感元件，利用它把被测的重量转换为弹性体的应变值；另一部分是电阻应变片，它作为变换元件将弹性体的应变同步转换为电阻值的变化。当弹性体受重量作用时，应变电阻的变化会引起电桥的不平衡，从而输出电压信号，该信号与所加载的重量成正比，即弹性体在弹性范围内的相对变化与引起变形的重量成正比。

3、设计传感器的工作原理

电阻应变片的工作原理基于它的应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。金属导体的应变效应用应变灵敏系

数K来描述：

（式一）

式中：——泊松比——取决于金属导体品格结构的比例系

数

对于金属材料，电阻的相对变化主要由前两项决定，即以导体的尺寸效应为主，压阻效应为辅；而对于半导体材料，电阻的相对变化主要由第三项决

定，即以压阻效应为主，尺寸效应为辅。

4、传感器弹性元件结构

电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式(柱式、筒式和环式)、弯曲式(梁式)和剪切式三大类。

为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度，将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，双孔梁就是其中有代表性的一种。

双孔梁的结构如图所示

在板状梁上有两个孔，在梁的端部有集中力作用时，孔内承受弯

曲变形。将应变片粘贴在孔的内壁，应变片处于相反的应力区内，当R1和R4的变形为拉伸时，R2和R3为压缩变形，四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。另外，这种粱的刚度比单梁好，故动特性好，滞后小。根据应力分布图可以看出，受力点位置变化时，一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。

在称重和测力领域，经常采用拉压式和弯曲式应变传感器，该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平，但由于拉压式称重测力传感器的高度直接影响精度和横向稳定性，而且力点移动对输出信号有影响，拉压对称性差，尤其是当安装条件和标准条件不一致时，引起的误差更难估计。而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区，高度小，对加载方式和受力点移动不敏感，且抗偏心、抗侧向力，所以我们选用的称重传感器内部采用双孔梁作为弹性元件。而近年来发展起来的梁式剪切称重测力传感器虽然消除了受力点变化对输出的影响，性能优良，但弹性体结构复杂，贴片也较困难，故本设计没有采用。

5、传感器测量电路

目前应变片的测量电桥多为直流供电。

下图为直流供电的测量电桥原理图

其中第一臂为电阻应变片，由应变引起的电阻变化为△Rt，当R1=R2、R3=R4时，电桥的电压灵敏度Su为最大，此时有：

（式二）

当应变很小时，

（式三）

（式四）

由（式二）可知，电桥的输出电压是非线性的，（式三)是在假定应变片承受的应变很小时得到的结论，此时是线性的，实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称之为非线性误差。采用差动电桥可以消除非线性误差。故本设计电阻应变式称重传感器选用直流供电应变全桥，该电桥的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了4倍，且具有温度补偿作用。

6、传感器的特性

1．灵敏度。金属丝的灵敏度系数(Ko)是表示金属丝受力后，电阻的相对变化与轴向长度的相对变化之间的关系。当金属丝制成应变

片后，应变片的灵敏系数K就是一个新的量值了，而且K恒小于Ko。这是由于胶基对力传递变形失真外，主要还有横向效应，而且K还是温度的函数，所以对K的要求是稳定性。

2．线性度。弹性体上的应变敏感元件，其电阻的相对变化理论上呈线性关系。实际上，当施加到弹性体上的力超过一定范围时，就会出现非线性关系。

3，横向效应。粘贴在弹性体上的应变片，其敏感栅有许多条直线及圆角部分组成。当受到纵向应力之后，直线段的电阻将增加，圆角部分的电阻将减小，其综合效应是使应变片的灵敏度下降，这种现象称为应变片的横向效应。在工程上采用箔式应变片可减小横向效应。

4．机械滞后和热滞后。当对贴有应变片的弹性体循环加载和卸载时，应变片的与之间的特性曲线的不重合程度称为机械滞后。把加载和卸载特性曲线的最大差异值称为应变片的机械滞后值。它的物理意义是，保持外界条件不变，对弹性体循环加载、卸载过程中，对同一载荷，应变片输出的差值即为机械机械滞后值。当弹性体受到恒定外力时环境温度改变时应变片的电阻值也要变化。在循环改变温度时，应变片在同一温度下电阻的差值称为应变片的热滞后值。

5．零漂和蠕动。在恒温条件下，贴有应变片的弹性体不承受任何载荷，应变片的阻值随时间变化的情况称为应变片的零漂。在恒温条件下，加到贴有应变片的弹性体上的载荷力恒定，应变片的应变输

出随时问变化的情况称为应变片的蠕动。

6．应变极限。粘贴在弹性体上的应变片所能测量的最大载荷力称为应变极限。在恒温条件下，缓慢均匀地施加载荷力，当应变片的输出大于机械应变的10％时，就认为应变片已接近破坏状态，此时的应变值就称为应变极限值。

7．电阻应变片的疲劳寿命。应变片粘贴到降陛体上之后，在应变极限之内往复循环地施加载荷，应变片所能承受某一特定载荷作用的循环次数为应变片的疲劳寿命。一般这一指标可达10的6次方。

8．电阻应变片的容许电流。应变片接成桥路之后，当有电流通过时，将会产生热量，可以使电阻应变片的温度升高。当电流超过允许电流值时，可能造成应变片烧断栅丝。显然，允许电流与弹性体的尺寸、材料的导热系数及应变片本身的尺寸等条件有关。使用中不允许超过允许电流的数值并注意相关的条件。

9．电阻应变片的绝缘电阻。应变片的引线与弹性体之间的电阻值称为绝缘电阻。它的数量极为兆欧级。

7、称重传感器常用技术参数

1.额定容量

生产厂家给出的称量范围的上限值。

2.额定输出（灵敏度）

加额定载荷时和无载荷时，传感器输出信号的差值。由于称重传感器的输出信号与所加的激励电压有关，所以额定输出的单位以mV/V 来表示。并称之为灵敏度。

3.灵敏度允差

传感器的实际稳定输出与对应的标称额定输出之差对该标称额定输出的百分比。例如，某称重传感器的实际额定输出为2.002mV/V，与之相适应的标准额定输出则为2mV/V，则其灵敏度允差为：（（2．002 – 2。000）/2.000）*100[%] = 0.1[%]

4.非线性

由空载荷的输出值和额定载荷时输出值所决定的直线和增加负荷之实测曲线之间最大偏差对于额定输出值的百分比。

5.滞后允差

从无载荷逐渐加载到额定载荷然后再逐渐卸载。在同一载荷点上加载和卸载输出量的最大差值对额定输出值的百分比。

6.重复性误差

在相同的环境条件下，对传感器反复加荷到额定载荷并卸载。加荷过程中同一负荷点上输出值的最大差值对额定输出的百分比。

7.蠕变

在负荷不变（一般取为额定载荷），其它测试条件也保持不变的情形下，称重传感器输出随时间的变化量对额定输出的百分比。

8.零点输出

在推荐电压激励下，未加载荷时传感器的输出值对额定输出的百分比。

9.绝缘阻抗

传感器的电路和弹性体之间的直流阻抗值。

10.输入阻抗

信号输出端开路，传感器未加负荷时，从电源激励输入端测得的阻抗值。

11.输出阻抗

电源激励输入端短路，传感器未加载荷时，从信号输出端测得的阻抗。

12.温度补偿范围

在此温度范围内，传感器的额定输出和零平衡均经过严密补偿，从而不会超出规定的范围。

13.零点温度影响

环境温度的变化引起的零平衡变化。一般以温度每变化10K时，引起的零平衡变化量对额定输出的百分比来表示。

14.额定输出温度影响

环境温度的变化引起的额定输出变化。一般以温度每变化10K引起额定定输出的变化量额定输出的百分比来表示。

15.使用温度范围

传感器在此温度范围内使用其任何性能参数均不会产生永久性有害变化。

8、传感器设计相关参数选择

由于粘贴在弹性元件上的应变片阻值具有一定的分散性，各片粘贴质量也不一样，温度变化的影晌也会引起电桥输出，所以电阻应变式称重传感器必须经过一系列调整才能实际使用，也就是说要进行零

点补偿、温度补偿、弹性模量补偿及灵敏度调整等。补偿电路如图所示，其中Rs、Rm、Rn、Rz是补偿元件，4个R是工作应变片。

1．零点补偿

在温度恒定、传感器不承受载荷时由于应变片阻值不等造成的输出称为零点输出，使其为零的调整叫作零点调整。

式中：Rz为串入第二臂的零点补偿电阻，Ui为供桥电压，U为电桥输出电压。

2．温度补偿

尽管应变片在组成电桥时已经考虑了初步温度补偿(桥路补偿和自补偿等)，但当环境温度变化时，电桥还会产生附加输出。无载荷时随温度变化的输出称为零漂，有载荷时，电桥的输出灵敏度随温度的变化称为灵敏度漂移。

(1)零点温漂

引起漂移的原因很多，如：应变片的电阻温度系数不同，弹性元件的线膨胀系数不均匀，电阻应变片胶基厚度和固化程度不一致，连接导线长度不同及焊点质量影响等。可以把这些不一致看成是由四个桥臂的电阻温度系数不一致引起的，于是可以在某一桥臂内串联一个温度系数较大的铜电阻(或镍电阻)以提高该臂总的电阻温度系数。在

进行温度补偿时，将应变式称重传感器分别放入低温油槽和高温油槽内，测出两次的电桥输出电压，根据高低温输出电压的差值△Uq极性的正负，决定在哪一臂中串接温度补偿电阻Rq。

其中：温度补偿电阻铜的温度系数，代入数值计算温度补偿电阻Rq=3．3。

当零点温度补偿电阻接入时，会使电桥产生新的不平循，因此零点调整电阻和零点温度补偿电阻要反复多次进行，使结果满足

。

(2)传感器灵敏度的温度补偿

传感器的灵敏度与应变片的Ko值、弹性元件的E值和尺寸有关，温度变化时，这些量都可能变化，从而造成传感器灵敏度的变化。其中E值变化最大，温度每变化100℃，弹性模量E约变化3．5％。一般情况下，温度升高时，E值变小，电桥输出电压增加，即动态漂移是正值。为了进行补偿，在供桥回路内串联一个正温度系数的电阻Rm，当温度升高时供桥电压下降。Rm可采用镍丝，分成两份对称放置，这样可以利用电桥灵敏度的变化去补偿传感器灵敏度的

变化。由有关文献可知，补偿电阻Rm可由下式确定.

式中：——应变片的电阻温度系数；

——补偿电阻的温度系数；

S1——温度t时电桥的灵敏度；

S2——温度t时电桥的灵敏度。

由于S1和S2是由实测所得，它们不仅反映了弹性模量E的变化，而且也反映了灵敏系数Ko及弹性元件尺寸的变化，因而这种补偿是综合性的。

3.传感器灵敏度的归一化

批量生产的同一型号的传感器其输出灵敏度应一致，因此要进行归一化处理。利用在供桥回路内串联电阻Rs的方法可改变传感器的灵敏度，一般所串联电阻Rs的温度系数比较小(如锰铜)。R可由下式确定：

其中So是人为规定的标准灵敏度。

实际经验表明，应首先对组成电桥的传感器进行疲劳试验，初步进行线性、重复性和稳定性试验，对合格的先进行零点补偿和温度补偿，然后再进行灵敏度温度漂移补偿，最后进行灵敏度归一化处理。

9、应用技术及应用领域

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，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料

系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

称重传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域。如：电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。

三、总结

通过这学期学习了传感器的知识,以称重传感器为中心的设计主题，我更加深入的了解了称重传感器，了解传感器工作原理、分类及其应用等。本文主要围绕电阻应变式称重传感器，对电阻应变式称重传感器深入研究进而展开设计。设计主要以理论结合实际的方式进行，查阅了相关参考书及相关文献，亲自的动手操作了电阻应变片特性实验。在理论知识巩固掌握的基础上，加上实验的验证操作，进行现象观察，实验结果分析，得到实验结论，使此次设计得以成功完成。通过此次设计让我受益匪浅，设计使我对传感器的认识更加深入，让我巩固夯实理论知识，加强了动手动脑能力。其次，通过设计接触了电阻应变式传感器，我能亲身感受到传感器的性能及作用，使我从本质上对传感器有了全新的认识，有利于以后的学习研究。

四、参考资料

（1）《电阻式应变称重传感器选用与使用原则浅谈》任志斌宜兴

申大电子称量有限公司

（2）《电阻应变式称重传感器》刘思聪刘文华左占林

（3）《电阻应变式称重传感器的设计》王琦哈尔滨林业机械研究所，黑龙江哈尔滨150086

（4）《电阻应变式称重传感器原理及故障分析检测》刘丹高彬郑一畅安阳钢铁集团公司计控处，河南安阳455000

（5）《电阻应变式称重传感器的原理及故障分析》廉晓霞中铝公司山西分公司，山西河津043300

（6）《检测技术与仪表》第2版武汉理工大学出版社王俊杰主编王家桢主审

（7）《自动检测技术及仪表》昆明理工大学实验指导书主编陈显宁汤占军