中北大学-基于电阻应变片的称重传感器设计

毕业设计说明书基于电阻应变片的称重传感器设计班级：学号：姓名：学院：专业：指导教师：2014年6月软件工程黄志诚王春花软件学院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BasedonthedesignofresistancestraingaugeloadcellAbstractWiththeprogressoftechnology,electronicweighingapparatusmadebytheweighingsensoriswidelyusedinallwalksoflife,torealizetherapidandaccurateformaterialweighing,especiallywiththeemergenceofmicroprocessor,theconstantimprovementoftheindustrialproductionprocessautomation,weighingsensorhasbecomeanecessarydeviceintheprocesscontrol.Atpresent,applytoalmostallweighingweighingsensors.Inthispaper,thedesignofaresistancestraintypeweighingsensor.Resistancestraintypeweighingsensorisbasedontheprinciplethatelastomer(elasticelement,sensitivebeam)elasticdeformationundertheactionofexternalforce,theresistancestraingaugeonthesurfaceofthepasteinhis(cell)alsoalongwiththedeformationanddeformationresistancestraingauge,itsvaluewillchange(increase/decrease),andthenthroughthecorrespondingmeasurementcircuitconverttheresistancetoelectricalsignals(voltageorcurrent),soastocompletetheprocessofexternalforcetransformintoelectricalsignals.Thedesignoftheweighingsensoristhechangeofresistancestraingaugeisusedtodeterminethesmallstrainofelasticelement,soastouseforce,stressandstraintherelationshipbetweentheareatodeterminethesizeoftheforce,thentheforceofthemassofthebody.Thechangeoftheresistancestraingaugecanbeobtainedthroughthesubsequentprocessingcircuit.Keywords:Weighingsensors,elastomer,resistancestraingauge中北大学2014届毕业设计说明书第I页共II页目录1绪论..............................................................11.1课题研究的背景..................................................11.2国内外发展动态..................................................12传感器的相关知识..................................................32.1传感器概念......................................................32.2传感器的工作原理................................................32.3传感器的组成结构................................................53电阻应变片的相关知识..............................................73.1电阻应变片的结构和工作原理......................................73.2电阻应变效应....................................................83.2.1金属材料的电阻应变效应........................................83.2.2电阻—应变特性................................................83.2.3应变片测试原理................................................93.3电阻应变片的种类及材料.........................................103.3.1电阻应变片的种类.............................................103.2.2电阻应变片的材料.............................................123.4金属应变片的主要特性...........................................134电阻应变式力传感器的设计.........................................194.1柱形应变式力传感器.............................................194.1.1利用拉伸与压缩应力的称重传感器...............................204.1.2柱式称重传感器的误差来源.....................................224.2梁式力传感器...................................................235粘贴技术及稳定处理...............................................275.1应变片粘贴技术.................................................275.1.1粘结剂的选择.................................................275.1.2应变计的粘贴.................................................275.2弹性元件材料的稳定处理.........................................286电阻应变式传感器的信号处理电路...................................31中北大学2014届毕业设计说明书第II页共II页6.1转换电路.......................................................316.2直流电桥.......................................................316.3电路图设计.....................................................366.4电路仿真.......................................................36参考文献.........................................................39致谢..............................................................40中北大学2014届毕业设计说明书第1页共40页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”。如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高反应速度的控制系统。可见传感器技术是一种和其他多种现代科学技术密切相关的尖端技术。应变式力传感器用作静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。现代电子技术和电子计算机为信息转换与处理提供了极其完善的手段，使检测与控制技术发展到崭新阶段。但是如果没有各种精确可靠的传感器去检测各种原始数据并提供真实的信息，那么，电子计算机也无法发挥其应有的作用。1．2国内外发展动态当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息社会的重要技术基础。随着科学技术的发展，传感器产品应用范围的不断扩大，在现代科学技术、国民经济、人民生活中都占有重要地位，为此世界各国都给予了高度重视。我国的863计划和科技攻关计划也把传感器的研究与开发放在重要地位。据有关资料介绍，在世界范围内传感器的计量逐年上升，世界市场传感器销售额1985年为50亿美元，1990年增加到155亿美元，如今已突破200亿美元，年平均增长率为8%，品种已超过二万种。其中，工业自动控制、交通运输、冶金行业市场的份额占35%以上。电阻应变片式传感器是现代传感器技术的重要组成部分，它利用当电阻应变计安装在弹性体上时，在外载荷作用下，弹性体的变形与其引起电阻应变计的电阻变化之间呈线性关系的原理，制成测量各种物理量的传感器，这种传感器，习惯称为电阻应变式传感器或是应变计式传感器(Staingagetransducer)[1]。中北大学2014届毕业设计说明书第2页共40页传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理特性，将非电量转换成电量。所以如何采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论，以达到高质量的转换效能，是总的发展途径。由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对测控系统的精度提出更高的要求。近年来，微