弹性钢环测力传感器及其电路系统研究与应用
2018-03-22 20:37:29
电阻应变式测力力传感器自诞生以来已有60年历史了，在力、载荷、扭矩、变矩及位移测量中它仍占据着不可替代的重要位置。经过恰当热处理的弹性体有良好的稳定性、小蠕变和弹性后效，很好的抗疲劳性能。与硅压阻式传感器相比较，其热漂移小、温度特性好。其中金属电阻箔式应变计是当前各种高精度传感器中最常用的且使用温示。电桥相对两臂电阻与另一对电阻受力时阻值改变的方向相反。当有外加电压时，输出信号电压：尸一圆环上的纵向中心压载荷；圆环的半径。
钢环内外表面的应力分别为：设尸=10N，钢环的设计半径a=23mm，宽选用的箔式应变片的灵敏度系数为2.1，贝I：M/及=2.1emax=3.68xl056V外加激励电压下的桥输出信号为：于钢环上时，输出信号为0.22mV.这与实际信号输出结果十分吻合，如所示。可见灵敏度是相当低的。
表现为可承受更大的载荷，产生更大的应变。零件的非弹性行为一般又称弹性后效，表现为卸载后出现微小的残余应变、多次加载卸载后各次残余应变又不一致。这对力传感器也是至关重要的。这表现为多次加载、卸载零点不一致、逐渐变化。这种非弹性行为应该越小越好。零件经热处理后，不仅屈服极限有明显提高，而且弹性后效有明显改善。我们对经热理（/！=0.8mm）和未经热处理（A=2mm）的46钢环作了对比试验。两者都用化学洗涤剂去掉弹性体表面油污，又用酒精清洗脱水。用稀101胶（流动性好、粘接层薄、干的快、粘接力强、应变跟随性好）将箔式应变片贴在钢环的内外侧。而且加压挤紧，粘贴密合牢固。用6V电压激励电桥，分别测得不同厚度，不同制作工艺的两种钢环力传感器的输出信号与载荷的关系，如和所；！K.可以看出，经热处理后元件的弹性后效明显改善。主要表现为多次加载、卸载后零点输出电压变化小，一致性好，如表1所示。
用经热处理的力传感器去测定力拉压循环变化得到所示的连续两个周期的拉压力变化曲线。可以看出两次测量间表1零点输出电压（mV）与加载行程及次数关系次数123变化行程正逆正逆正逆范围条经热处理4.74.54.44.14.14.017.5%件未热处理1.551.491.081.14未测30%的曲线十分一致，说明此传感器有良好的重复测试稳定性，非弹性已降低到最低程度。
三、电路设计由于应变式力传感器的灵敏低，输出信号必须高增益放大后才能去驱动A/D变换器，进而与单片机进行数据交换。本电路设计中采用所示的二级运放电路。可将传感器的两端输入转变成单端输出，再与A/D变换器相连接，将数字量输送给80C31单片机，经过数据处理后由微型打印机定时打印出传感器所测得的拉、压力随时间的变化曲线。
放电路，原因是它的正比特性好、零点失调电压小、价格适中，市场供应充足。但缺点是承受最大共模电压低，但可以采取一定措施加以克服。本电路的输出6与输入电压关系为：感器的输出）；-一输入的共模电压（约等于传感器输出对地电压）。
为了抑止共模电压的影响，要求办/及4=及2从1.这样，及1、穴2、/3、及4都采用82kn金属膜电阻，误差在0.5%之内。于是差模增益b=2+164/7c，/：；可在2kf2~10kn范围内调节，相应差模增益为8418倍。可以将满量程输出8mV（其中零点输出4.0mV）放大至140~650mV，满足A/D变换的要求。
如果将传感器电桥接地，因为激励电压为6V，共模电压为3V，则不能满足OP07集成放大器对共模电压的限制要求。如果在传感器电桥与正激励电压之间加电阻，虽然可使共模电压降低，但使桥电压降低，给本来就较低的灵敏度雪上加霜，极为不利。若用自举电源来降低共模电压，则线路复杂、调试困难。
因此我们将传感器电桥低端接5n电阻（电桥等效电阻i2n）后再接-5V负电源（集成放大器OP07需负电源）。这样使共模电压自身大为降低。这对共模抑止起到锦上添花的作用。
传感器的零点（F=0时）不需要在电桥上串、并联电阻使它调整为零。因为零点的调整为零的话，则拉和压时分别输出正和负的信号，放大后不改变符号，使后续A/D变换电压难以适应这种双极性信号。因此本电路中将输出接至由/5和/6构成届E通嫌篇专业生产压力、激度、液位、激进度、择aa等各种传感器及各种测量、控制仪表、环境状态监测仪、温度集中检测仪及自控数据采集系统。
北京昆仑海岸传感技术中心地址：北京海淀区清华园三才堂乙-7号邮编：100080的极性变换分压网络。选及5=及6=1kD.当为-5、0和+5V时，为0、2.5和5V.这样在+5V和-5V之内拉压双极性信号经极性变换网络后始终输出单极性信号给A/D变换器。经80C31单片机后用软件的方法自动确定力零点和拉、压正负值。打印机输出的正电压代表拉力、负电压代表压力（见）。
四、实际应用我们将所研制的力传感器（A=0.8cm）用于汽车开门拉手二线位器疲劳试验，测定每一循环中拉、压力的变化并定时打印记录。由于传感器的最大应力（载荷F=50N时）为18N/mm2，仅为65号钢热处理后弯曲变形疲的1/4，比例极限CTp=394N/mm2的1/5.因此该传感器在有足够的放大倍数电路支撑下可用于拉压力为50N以下的疲劳试验。显示的两个循环记录的力的变化完全一致，说明传感器和电路具有良好的稳定性。
钢环内外表面的应力分别为：设尸=10N，钢环的设计半径a=23mm，宽选用的箔式应变片的灵敏度系数为2.1，贝I：M/及=2.1emax=3.68xl056V外加激励电压下的桥输出信号为：于钢环上时，输出信号为0.22mV.这与实际信号输出结果十分吻合，如所示。可见灵敏度是相当低的。
表现为可承受更大的载荷，产生更大的应变。零件的非弹性行为一般又称弹性后效，表现为卸载后出现微小的残余应变、多次加载卸载后各次残余应变又不一致。这对力传感器也是至关重要的。这表现为多次加载、卸载零点不一致、逐渐变化。这种非弹性行为应该越小越好。零件经热处理后，不仅屈服极限有明显提高，而且弹性后效有明显改善。我们对经热理（/！=0.8mm）和未经热处理（A=2mm）的46钢环作了对比试验。两者都用化学洗涤剂去掉弹性体表面油污，又用酒精清洗脱水。用稀101胶（流动性好、粘接层薄、干的快、粘接力强、应变跟随性好）将箔式应变片贴在钢环的内外侧。而且加压挤紧，粘贴密合牢固。用6V电压激励电桥，分别测得不同厚度，不同制作工艺的两种钢环力传感器的输出信号与载荷的关系，如和所；！K.可以看出，经热处理后元件的弹性后效明显改善。主要表现为多次加载、卸载后零点输出电压变化小，一致性好，如表1所示。
用经热处理的力传感器去测定力拉压循环变化得到所示的连续两个周期的拉压力变化曲线。可以看出两次测量间表1零点输出电压（mV）与加载行程及次数关系次数123变化行程正逆正逆正逆范围条经热处理4.74.54.44.14.14.017.5%件未热处理1.551.491.081.14未测30%的曲线十分一致，说明此传感器有良好的重复测试稳定性，非弹性已降低到最低程度。
三、电路设计由于应变式力传感器的灵敏低，输出信号必须高增益放大后才能去驱动A/D变换器，进而与单片机进行数据交换。本电路设计中采用所示的二级运放电路。可将传感器的两端输入转变成单端输出，再与A/D变换器相连接，将数字量输送给80C31单片机，经过数据处理后由微型打印机定时打印出传感器所测得的拉、压力随时间的变化曲线。
放电路，原因是它的正比特性好、零点失调电压小、价格适中，市场供应充足。但缺点是承受最大共模电压低，但可以采取一定措施加以克服。本电路的输出6与输入电压关系为：感器的输出）；-一输入的共模电压（约等于传感器输出对地电压）。
为了抑止共模电压的影响，要求办/及4=及2从1.这样，及1、穴2、/3、及4都采用82kn金属膜电阻，误差在0.5%之内。于是差模增益b=2+164/7c，/：；可在2kf2~10kn范围内调节，相应差模增益为8418倍。可以将满量程输出8mV（其中零点输出4.0mV）放大至140~650mV，满足A/D变换的要求。
如果将传感器电桥接地，因为激励电压为6V，共模电压为3V，则不能满足OP07集成放大器对共模电压的限制要求。如果在传感器电桥与正激励电压之间加电阻，虽然可使共模电压降低，但使桥电压降低，给本来就较低的灵敏度雪上加霜，极为不利。若用自举电源来降低共模电压，则线路复杂、调试困难。
因此我们将传感器电桥低端接5n电阻（电桥等效电阻i2n）后再接-5V负电源（集成放大器OP07需负电源）。这样使共模电压自身大为降低。这对共模抑止起到锦上添花的作用。
传感器的零点（F=0时）不需要在电桥上串、并联电阻使它调整为零。因为零点的调整为零的话，则拉和压时分别输出正和负的信号，放大后不改变符号，使后续A/D变换电压难以适应这种双极性信号。因此本电路中将输出接至由/5和/6构成届E通嫌篇专业生产压力、激度、液位、激进度、择aa等各种传感器及各种测量、控制仪表、环境状态监测仪、温度集中检测仪及自控数据采集系统。
北京昆仑海岸传感技术中心地址：北京海淀区清华园三才堂乙-7号邮编：100080的极性变换分压网络。选及5=及6=1kD.当为-5、0和+5V时，为0、2.5和5V.这样在+5V和-5V之内拉压双极性信号经极性变换网络后始终输出单极性信号给A/D变换器。经80C31单片机后用软件的方法自动确定力零点和拉、压正负值。打印机输出的正电压代表拉力、负电压代表压力（见）。
四、实际应用我们将所研制的力传感器（A=0.8cm）用于汽车开门拉手二线位器疲劳试验，测定每一循环中拉、压力的变化并定时打印记录。由于传感器的最大应力（载荷F=50N时）为18N/mm2，仅为65号钢热处理后弯曲变形疲的1/4，比例极限CTp=394N/mm2的1/5.因此该传感器在有足够的放大倍数电路支撑下可用于拉压力为50N以下的疲劳试验。显示的两个循环记录的力的变化完全一致，说明传感器和电路具有良好的稳定性。