第三章 称重传感器设计
在温度恒定时，传感器不承受负载，由于制造工艺上的问题，应变片的阻值不等而造成初始不平衡，可通过在相应的桥臂上串接一个经过处理的温度稳定性好的锰铜或康铜小电阻或箔式可调电阻片来使得输出基本为零，这个小电阻片就称为平衡电阻。如图3-5中的Rb就是接入的补偿电阻。
图3-5 带电桥补偿的电路 Fig 3-5 Circuit with equalizer of a bridge
电桥接入平衡补偿电阻Rb后，电桥的输出尚有少许不平衡，这时可采用可调电阻对桥路进行调零，图3-6就是直流电桥的调零电路。
图 3-6 直流电桥的调节电路
Fig 3-6 Adjustment electric circuit of DC bridge
2）温度补偿
由于应变片的电阻随温度而变化，而且由于应变片材料和试件的线膨胀系数也不同，故如果对温度变化所引起的电阻相对变化不加补偿，则应变片几乎不能应用。应变片电阻随温度变化的函数关系为
Rt1?Rt0(1???t) (3-22)
式中Rt1、Rt0分别为t1,t0温度下的电阻值；Δt＝t1-t0为温差。因此，可求得温度从t0上升到t1时，应变片的电阻将变化
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?Rt1?Rt0??t （3-23）
考虑材料的膨胀系数不同时，因温度变化引起的附加变形产生的电阻变化关系为
?R?Rt0k0(?g???)?t （3-24） 式中，ΔR是由于膨胀系数不同所产生的电阻增量；βg、βa分别为试件、应变片电阻丝的膨胀系数；k0为应变片的灵敏度系数。
电阻应变片的温度误差可采用敏感栅热处理或采用两种温度系数的材料相互补偿的方法进行补偿，然而，用得更多的是电桥补偿法。测量桥路如图3-4所示，如果初始电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R，且RL＝∞时，桥路的输出电压与桥臂电阻间的增量表达式为
U??R1?R2?R3?R4????? U0?? （3-25） ?4?R1R2R3R4??因为每一个桥臂电阻变化均是由两部分组成，即一部分为应变引起的，另一部分为温度变化引起的，所以有
?Ri?Rti?k0?xi?(i?1,2,3,4,???) （3-26） RiRi将式（3-26）代入式（3-25）可得
?Rt1?Rt2?Rt3?Rt4?U?U0??k0(?x1??x2??x3??x4)????? （3-27）
4?R1R2R3R4?从上式可以看出：若桥臂电阻均在同一温度场，各桥臂电阻同批制造，材料规格、工艺均相同，则由温度变化引起的电阻相对变化相互抵消，实现了补偿作用。必须注意的是，要正确连接应变片，使相邻的应变片感受相反方向的应变，而由温度引起的变化要相同。 3）非线性补偿
引起传感器的非线性主要原因有：弹性元件本身存在的非线性，如加工、热处理过程中的残余应力、结构形式所导致的非线性等；应变片灵敏系数随弹性元件变形而变化；电桥电路的非线性，如单臂电桥，本身就是非线性的，另外加入的一些补偿电阻也会引起非线性误差。其补偿方法有采用差动形式的半桥或全桥；提高桥臂比α，但由于以牺牲灵敏度为代价是不合算的，所以应用不广泛；采用有源电桥，如图3-7所示。在桥路中，工作应变片R作为运算放大器的反馈电阻，电桥被强迫达到平衡，所以输出电压与应变片上的电压增量相等，但极性相反，而且与ΔR/R是成线性的。如图2-14所示，显然a点电位为U/2，；由于运算放大器的作用，b点的电位也始终被强迫为U/2，所以流过cb支路R的电流为
I?U 2R
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第三章 称重传感器设计
U/2?U0?I(R??R)
U?R所以 U0?? （3-28）
2R
图 3-7 有源电桥 Fig 3-7 Active electric bridge
由于运算放大作用，因此可作低阻输出。这种有源电桥的输出是单臂输出的两倍，而且即使ΔR/R值非常大，输出依然呈线性关系。
3.2.5 压力传感器测量电路
电阻应变片与测量电路结合并给予适当的电源就组成了电阻应变式传感器，可以用来测量力、载荷、扭矩、加速度等非电参数。为了准确可靠地获得测量数据，必须有一个稳定的直流供桥电压。采用集成的参考源和运算放大器可以得到稳定的供桥电压如图3-8所示。也可以用专门生产的传感器电源模块作为稳定的激励电压。
3.3称重传感器设计
传感器是检测机构的重要部件，目前常用的有电阻应变式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器，由于电阻应变式传感器具有精度高、测量范围广、频率响应特征好、结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉并且可在恶劣环境条件下正常工作等特点，设计中按照稳定性、精度、灵敏度、寿命等进行考虑，在试验中选用电阻应变式油压传感器。查阅相关资料ZL50CX装载机系统油压为20Mpa，最大举重8吨，以及考虑系统的油温和防油污染的影响，适合选用20Mpa,温度为0～100℃防油的油压传感器。在此我们选用由成都科学仪器厂生产的BPR-4电阻应变式传感器。在本论文中，主要完成对BPR-4电阻应变片式传感器的力学设计，根据需要设计出符合要求的BPR-4传感器的几何参数。
3.3.1 概述
BPR-4电阻应变式压力传感器是一种用来感受系统被测压力并转换成与压力成一定关系的电信号输出的转化器，可与巡检、控制系统以及显示仪表、电子计算机等配套使
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用，可对系统的静态压力参数作自动化测量和控制。
主要技术指标：
1.测量上限值：0.2；0.3；0.5；1；2；3；4kgf/cm2 2.精度
指标%F2S BPR4-3 线性误差 滞后误差 重复性 < 0.20 < 0.15 < 0.10 BPR4-5 < 0.30 < 0.20 < 0.10 3.温度影响：零点温度影响<0.02%F2S2C?1，输出温度影响<0.02%F2S2C?1 4.零点漂移：<0.1% F2S/2小时 5.输出灵敏度：2mv/v；1.5mv/v 6.桥路阻抗：350Ω 7.供桥电压<15v
8.初始不平衡输出：<±2% F2S 9.超载能力：120%额定电压
10.环境工作温度：-10℃～+60℃，相对湿度<85% 11.灵敏度：<0.1 F2S
12.测量对象：静态非腐蚀性的流体压力
3.3.2 基本原理及结构计算
基本原理方框图如下：
Ｒ１ Ｒ2
P 压力输入
压力转
换元件
F 集中力
应变敏
感元件
电阻应变效应△Ｒ
U
Ｒ3 Ｒ4
△ U
电信号输出 被测压力通过压力转换元件转换为集中力，作用于应变敏感元件—应变梁上，应变梁变形，随之粘贴在应变梁的应变片电阻产生变化，电桥电路即输出一个与压力成一定关系的电信号。 1.压力转换元件
1）选择波纹管作为压力转换元件，对其要求为： a.具有足够大小的有效面积； b.有效面积稳定；
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第三章 称重传感器设计
c.具有良好的线性、滞后特性，高疲劳极限； d.在满足耐压条件下，选择尽量小的刚度。
CBR1 R2R3应变敏感元件 （应变梁） 应变片 R4压力转换元件 （波纹管） A绝缘层 图3-8 电阻应变式油压传感器结构示意图
Fig 3-8 Structural sketch map about strain gauge type transducer of oil press
2）波纹管转换集中力的计算
F?P?S有
式中：P—被测系统的压力 kgf/cm2 S有—波纹管的有效面积cm2 F—转换成集中力值 kg 2.应变敏感元件—应变梁的分析计算
1)简化力学模型
图中：F—被测压力转换为对梁的集中力；
F1—波纹管对应变梁的反作用力； x1,x2,x3—基体对梁的反力及反力矩
BAFBC可分解为F1 CCB F1 A图（1） FCF1 由图（2）可知,简化后的力学模型仍属于一次超静定系统；AB梁承受一个拉力和一
X1AX3X2Q图M图 个弯矩，在其作用下产生弯曲和拉伸变形。
2)桥路选择及梁应变值的确定
图（2） 根据AB梁的受力性质，选择两面各粘贴两片应变片，即使R1，R4与R2，R3分别感受极性相反的应变，并构成全桥，这样可以提高输出灵敏度，同时还消除拉力所引起的拉伸变形对应变指示数的影响，只反映在弯曲下的变形。如图示： 由惠斯顿电桥计算得：
?U/U?[R1?R4?R2?R3]/[（R1?R2）?（R3?R4）]
当R1=R2=R3=R4=R （R为各臂应变片阻值）
?R1??R2??R3??R4??R （?R为各臂电阻变化值）时，
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