測(cè)量振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(20210315153703)

1、凍M電力犬褂課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)生姓名：XXX學(xué)號(hào)：學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院班級(jí)：機(jī)械XXX班題目：測(cè)量振動(dòng)傳感器指導(dǎo)教師：XXX職稱：高級(jí)工程師2016年1月11日目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)分析 3.二、方案設(shè)計(jì) 3.2.1 原理簡(jiǎn)述 3.2.2 應(yīng)變片檢測(cè)原理 3.2.3 彈性元件的選擇及設(shè)計(jì) 5.2.4 應(yīng)變片的選擇及設(shè)計(jì) 5.三、單元電路的設(shè)計(jì) 6.3.1 電橋電路的設(shè)計(jì) 6.3.2 放大電路的設(shè)計(jì) 7.3.3 移相器的設(shè)計(jì) 8.3.4 過(guò)零比較器的設(shè)計(jì) 9.3.5 相敏檢波電路的設(shè)計(jì) 9.3.6 低通濾波器的設(shè)計(jì) 1.0.四、誤差分析 1.0.五、心得體會(huì) 1.1.六、參考文獻(xiàn) 1.1.14、設(shè)計(jì)任務(wù)分析

2、采用電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)一種電阻應(yīng)變式質(zhì)量（壓力）傳感器，具體要求如下：1. 正確選取電阻應(yīng)變片的型號(hào)、數(shù)量、粘貼方式并連接成交流電橋；2. 選取適當(dāng)形式的彈性元件，完成其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和受力分析，3. 并根據(jù)測(cè)試極限范圍進(jìn)行校核；4. 完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計(jì)；5. 完成應(yīng)變電橋輸出信號(hào)的后續(xù)電路 （包括放大電路、相敏檢波電路、低通 濾波電路）的設(shè)計(jì)和相關(guān)電路參數(shù)計(jì)算，并繪制傳感器電路原理圖；、方案設(shè)計(jì)2.1原理簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變式傳感器為本設(shè)計(jì)的主要部件，傳感器中的彈性元件感受物體的重 力并將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片的電阻變化，再利用交流全橋測(cè)量原理得到一定大小的輸 出電壓，通過(guò)電路輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)重量

3、的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，在顯示表頭中將電壓（V）改為質(zhì)量（kg）即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物品質(zhì)量的稱重。本設(shè)計(jì)所測(cè)質(zhì)量范圍是 0-10kg，同時(shí)也將后續(xù)處理電路的電壓處理為與之 對(duì)應(yīng)的0-10V。由于采用了交流電橋，所以后續(xù)電路包括放大電路，相敏檢波電 路，移相電路，波形變換電路，低通濾波電路（顯示電路本次未設(shè)計(jì)） 。2.2應(yīng)變片檢測(cè)原理電阻應(yīng)變片（金屬絲、箔式或半導(dǎo)體應(yīng)變片）粘貼在測(cè)量壓力的彈性元件表 面上，當(dāng)被測(cè)壓力變化時(shí)，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變形，這個(gè)變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電 阻產(chǎn)生變形，根據(jù)所測(cè)電阻變化的大小來(lái)測(cè)量未知壓力， 也實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)未知質(zhì) 量的檢測(cè)。設(shè)一根電阻絲，電阻率為，長(zhǎng)度為I,截面積為

4、S,在未受力時(shí)的電阻值為R=丄 S- L42(r+Zi r)圖一金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化如圖一所示，電阻絲在拉力F作用下，長(zhǎng)度I增加，截面S減少，電阻率 也相應(yīng)變化，將引起電阻變化 R,其值為對(duì)于半徑r為的電阻絲，截面面積 S= r2，則有s s=2 n r。令電阻絲的 軸向應(yīng)變?yōu)?I I，徑向應(yīng)變?yōu)閞 r ( II)，由材料力學(xué)可知，為電阻絲材料的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得R =(1+2 ) R通常把單位應(yīng)電所引起的電阻相對(duì)變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達(dá)式為R R K = (1 2 )從可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù) K由兩部分組成：受力后由材料的幾何尺受力引起(1 2 );由材料電阻率變化引起的

5、(.)_1。對(duì)于金屬絲材料，()_1項(xiàng)的值比(1 2 )小很多，可以忽略，故K 1 2 。大量實(shí)驗(yàn)證明在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即為常數(shù)。通常金屬絲的=1.73.6?？蓪懗?K2.3彈性元件的選擇及設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)對(duì)氣壓的檢測(cè)是通過(guò)對(duì)壓力的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的，所以彈性元件承受氣壓 也即壓力，這就要求彈性元件具有較好的韌性、強(qiáng)度及抗疲勞性，通過(guò)查設(shè)計(jì)手 冊(cè)，決定選取合金結(jié)構(gòu)鋼 30CrMnSiNi2A,其抗拉應(yīng)力是1700Mpa屈服強(qiáng)度是 lOOOMpa彈性模量是211Gpa同時(shí)本次設(shè)計(jì)選取彈性元件的形式為等截面梁，其示意圖如圖二所示Ebh式中：距自由端為10處的應(yīng)變值;I 梁的長(zhǎng)

6、度；E梁的材料彈性模量；b梁的寬度；h梁的厚度。通過(guò)設(shè)計(jì)，選取現(xiàn)校核如下：I =20mm, l0=14mm,b=10mm,h=3mm6FI0bh26 100 14 10-33610 10-9 10-Mpa=93.3Mpa 1000Mpa因此，選取是合理的2.4應(yīng)變片的選擇及設(shè)計(jì)從理論學(xué)習(xí)中知道，箔式應(yīng)變片具有敏感柵薄而寬，粘貼性能好，傳遞應(yīng)變 性能好；散熱性好，敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；蠕變，機(jī)械滯后小，疲勞壽 命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合本次設(shè)計(jì)的應(yīng)用。選擇4片箔式應(yīng)變片（BX120-02AA阻值為120Q,其基底尺寸是2.4 2.4 （mm mm ）。同時(shí)敏感珊的材料選擇鉑 因?yàn)槠潇`敏系數(shù)達(dá)

7、Ks=4.6，且其最高工作溫度可以達(dá) 800多攝氏度，柵長(zhǎng)做到 0.5mm應(yīng)變片粘貼在距自由端10處，R1和R4粘貼在梁的上方承受正應(yīng)變，R2和 R3則與之對(duì)應(yīng)粘貼在下方承受負(fù)應(yīng)變。粘貼劑選擇環(huán)氧樹(shù)脂粘貼劑?；撞牧线x擇膠基，厚度為 0.03mm-0.05mm引線材料采用直徑為0.15-0.18mm的鉻鎳金屬絲引線。最后在安裝后的應(yīng)變片和引線上涂上中性凡士林油做防護(hù)作用，以保證應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。36 100 14 10-=6FI。=Ebh2=4.4 10-40時(shí)，其導(dǎo)通，U4A正極為0R11電位，信號(hào)從負(fù)極輸入，放大倍數(shù)為=-1 ,此時(shí)Ulout 0;當(dāng)U3ut V 0時(shí),R8JFET截

8、止，信號(hào)從正極輸入，放大倍數(shù)為1,此時(shí)Ulout V 0。因此，相敏檢波實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的判別，只是與原信號(hào)相差一個(gè)負(fù)號(hào)。3.6低通濾波器的設(shè)計(jì)由于經(jīng)過(guò)相敏檢波后的電壓還混有高頻載波信號(hào)，所以需將其濾掉，又因?yàn)橄嗝魴z波后輸出的電壓與原信號(hào)差一個(gè)負(fù)號(hào)，所以選擇反相一階有源低通濾波 器，這樣就可以得到真正反映原信號(hào)的直流輸出。低通濾波器截止頻率設(shè)為40HZ。電路圖如圖八所示。out（接表頭顯示）1R10C1若取R10=1kQ，則由=40HZ 可解得3= 4uF,另外取R9=50Q,則此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的放大倍數(shù)是-空=-20，則實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)的另一級(jí)分配，也還R9原了原始信號(hào)的相位。所以至此，就實(shí)現(xiàn)了原始信號(hào)的

9、測(cè)量處理，即能夠通過(guò)將質(zhì)量為0-10kg（也 即壓力為0-100N）的物體作用于彈性元件（等截面梁）并通過(guò)應(yīng)變片使其電阻發(fā)生變化進(jìn)而使后續(xù)相關(guān)電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的0-10V的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的稱重，也即 1kg物體對(duì)應(yīng)1V的電壓。將低通濾波后產(chǎn)生的直流電壓接入數(shù)顯表頭就可直觀 地看出物體質(zhì)量的大小四、誤差分析誤差的形成主要來(lái)源于溫度誤差，造成溫度誤差的原因主要有以下兩個(gè):1、敏感柵電阻隨溫度變化引起誤差2、試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加拉長(zhǎng)或壓 縮，引起電阻變化。這樣的溫度誤差可以通過(guò)橋路進(jìn)行補(bǔ)償， 如本設(shè)計(jì)中的全橋電路就很好地實(shí)現(xiàn) 了溫度的補(bǔ)償其次，電橋還具有非線性誤差，由于

10、對(duì)金屬絲電阻應(yīng)變片，電橋非線性誤 可以忽略，所以也不影響本次設(shè)計(jì)。最后，對(duì)于如同工頻等的干擾， 我們盡量通過(guò)電路的優(yōu)化除去干擾， 如通過(guò) 高共模抑制比儀放以及低通濾波器進(jìn)行改進(jìn)。因此，從理論上說(shuō)，本次設(shè)計(jì)中的誤差還是比較好地得到了控制。五、心得體會(huì)我認(rèn)為，在這學(xué)期的傳感器學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中， 不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、 動(dòng)手操作 的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì) 了很多學(xué)習(xí)的方法。 而這是日后最實(shí)用的， 真的是受益匪淺。 要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)， 只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。 以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂(lè)，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的 事情。就像中國(guó)提倡的艱苦奮斗一樣， 我們都可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后變的更加成熟， 會(huì)面對(duì)需要