电阻应变式称重传感器设计(3)

目前没有一种金属材料能满足上述全部要求。因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的电阻合金大致有以下几种：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金属等。通过查阅资料以及对这几种材料的性能、成本对比，我选择康铜作为敏感栅材料。康铜的性能如下:

合金成分/ %：Cu55,Ni45 灵敏系数Ks：1.9~2.1 电阻率：0.45~0.54 电阻温度系数: ±20*10-6 线膨胀系数: 15*10-6 对铜热电势/μV/℃: 43 最高使用温度/℃: 静态:250 动态:400

选康铜作敏感材料的理由如下：首先这种材料最为常用,电阻温度系数小且稳定，同时它的Ks值对应变值的稳定性高。不但在变形的弹性范围内Ks值保持不变，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。所以用康铜作为敏感栅的应变计灵敏系数K=2，且其测量范围大。同时对康铜用不同的方法加工，不同的热处理，或者改变合金成分的比例，可以改变它的电阻温度系数(由负值到正值)，利用这一特性可以制造温度补偿电阻应变计。而且该材料制作的应变片尤适合长时间、大应变测量。

2.3.2 基底、引出线材料选择

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。应变片基底越厚，基底材料弹性模量越小，引起的蠕变越大。通常选用基底薄、基底材料的弹性模量较高的应变片，取基底厚度为0.03～0.05mm。对基底材料性能的要求是：

（1）机械强度高，挠性好； （2）粘贴性能好； （3）电绝缘性能好； （4）热稳定性和抗湿性好； （5）无滞后和蠕变。

玻璃纤维增强基底应变计长期稳定性好、蠕变小、滞后小、耐热性好、疲劳寿命高，最适用于高精度测力或称重传感器上，因而我们选用玻璃纤维布作为基底材料。 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。引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。我选用了康铜材料的敏

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感栅，且其使用条件无特殊要求，故采用银铜作引出线。

2.4 应变片的参数

2.4.1 应变片基长

为了使测量误差减小，将

sin?l0?l0/??展开为级数，并略去高阶小量后，可得

221??l?1??lf?e??0???0?6???6???

粘贴在一定材料试件（?为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长l0和频率f的增加而增大。因而在设计、应用应变片时，就可按上式给定的e、l0、f三者的关系，根据给定的精度?e?，来确定合理的l0或工作频率fmax，即

?l0?lmax?6?e?? ?fmax?6?e??l0或 其基长l0应尽量选取短的，这样可以更真实地测出被测部位的应变值，以提高测量精度。

对于钢材，??5000m/s，若令精度?e??0.5%，最高工作频率fmax?25kHz代入上式可得

lmax???6?e??6[e]?1.1cm?l0f?

故我取应变片栅长l0?1cm。

2.4.2应变片的电阻值

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。我选用阻值为120Ω的应变片。

2.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限

绝缘电阻是指敏感栅与基底之间的电阻值，绝缘电阻的降低将导致测量灵敏度

的下降，并带来测量误差，产生零点漂移等。因而要尽量选用基底绝缘性能好的应变

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10计和粘结剂以提高绝缘电阻。绝缘电阻值一般大于10?。

允许电流是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。它与应变本身、试件、粘结剂和环境等有关。要根据应变片的阻值和应用的电路等情况来计算。为了保证测量精度在静态时允许电流一般为25mA，在动态测量时允许电流可达75～100mA，箔式应变片允许电流较大。

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。

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