電阻應(yīng)變式壓力傳感器課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、武漢理工大學(xué)傳感器原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1緒論1.1概述傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門(mén)綜合技術(shù)學(xué)科，是在現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?，F(xiàn)代測(cè)量、控制與自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)我們也看到，傳感器在日常生活中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，可以說(shuō)它已成為了測(cè)試測(cè)量不可或缺的環(huán)節(jié)。因此，學(xué)習(xí)、研究并在實(shí)踐中不斷運(yùn)用傳感器技術(shù)是具有重大意義的。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)分析采用電阻應(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)

2、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；6. 按學(xué)校課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)規(guī)范提交一份課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（6000字左右）；7. 按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制彈性元件圖（4號(hào)圖紙），機(jī)械裝配圖各一張（3號(hào)圖紙）；2方案設(shè)計(jì)2.1原理簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變式傳感器為本課程設(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)重量的線性關(guān)系，建立具

3、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(chēng)重。本次課程設(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)）。原理框圖如圖一所示。數(shù)顯表頭過(guò)零比較器相敏檢波移相器放大器5khz交流交流電橋電阻應(yīng)變片（質(zhì)量）壓力低通濾波圖一 原理框圖 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

4、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,截面積為s，在未受力時(shí)的電阻值為 r= - 圖二 金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化如圖二所示，電阻絲在拉力f作用下，長(zhǎng)度增加，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=，則有=。令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)椋瑥较驊?yīng)變?yōu)?，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=（1+2 -通常把單位應(yīng)電所引起的電阻相對(duì)變化稱(chēng)為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達(dá)式為= - 從可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù)由兩部分組成：受力后由材料的幾何尺寸受力引起；由材料電阻率變化引起的。對(duì)于金屬絲材料，項(xiàng)的

5、值比小很多，可以忽略，故。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。可寫(xiě)成= -2.3彈性元件的選擇及設(shè)計(jì)本次課設(shè)對(duì)質(zhì)量的檢測(cè)是通過(guò)對(duì)壓力的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的，所以彈性元件承受物重也即壓力，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1000mpa，彈性模量是211gpa。同時(shí)本次課設(shè)選取彈性元件的形式為等截面梁，其示意圖如圖三所示圖三 等截面梁作用力f與某一位置處的應(yīng)變關(guān)系可按下式計(jì)算： 式中： 距自由端為處的應(yīng)變值； 梁的長(zhǎng)度； e梁的

6、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=20mm, =14mm,b=10mm,h=3mm現(xiàn)校核如下： 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)，所以非常適合本次課設(shè)的應(yīng)用。選擇4片箔式應(yīng)變片（bx120-02aa）阻值為120，其基底尺寸是（）。同時(shí)敏感珊的材料選擇鉑因?yàn)槠潇`敏系數(shù)達(dá)，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

7、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。這樣最大應(yīng)變?yōu)椋?因此是符合的。且交流電橋的最大輸出輸入比為：3單元電路的設(shè)計(jì) 3.1電橋電路的設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償，因此選擇全橋電路作為測(cè)量電路，將4片應(yīng)變片接入電橋。橋路圖如圖四所示。其次，考慮到連線導(dǎo)線分布電容的影響及交流電橋的初始平衡性問(wèn)題（無(wú)稱(chēng)重時(shí)電橋輸出應(yīng)為零），應(yīng)在橋路中采取調(diào)零電路。橋路接法如圖四所示，r5和c2即是實(shí)現(xiàn)調(diào)零用的，取c

8、2=1uf，r5=1.8k。 電橋輸出為 交流電源頻率選擇為5khz,現(xiàn)使橋路最大輸出為10mv，則電壓幅值為： 圖四 交流電橋3.2放大電路的設(shè)計(jì)由于傳感器輸出的電壓比較小，因此需對(duì)其進(jìn)行放大使之滿(mǎn)足后續(xù)電路的處理要求。鑒于傳感器輸出可能雜有共模電壓，為此，選取具有高共模抑制比的ad620作為放大器來(lái)達(dá)到凈化信號(hào)電壓和充分節(jié)約成本和制造的空間的目的。電路圖如圖五所示。 圖五 放大電路其放大增益為： 為了將10mv的電壓放大到10v，需要放大1000倍，為此選擇分配級(jí)為這里放大50倍，因此解得r4=1.008k。3.3移相器的設(shè)計(jì)因?yàn)殡姌螂娐份敵龅碾妷簩?duì)載波信號(hào)有一定的超前角，一般為幾度到幾十

9、度，因此在把載波信號(hào)作為相敏檢波的參考電壓前需對(duì)其進(jìn)行一定的移相處理圖六為0-90°的移相電路。 圖六 移相電路 若設(shè)r12調(diào)節(jié)后的有效電阻為r，則移相的推導(dǎo)為：因?yàn)榈臄?shù)量級(jí)為，所以可以取c3=100uf,這樣r（r12）可以設(shè)定在500范圍，即實(shí)現(xiàn)相角在0-90°移動(dòng)。上式中， 。 所以移相電路不改變幅值。 3.4過(guò)零比較器的設(shè)計(jì) 在進(jìn)行相敏檢波時(shí)，我們更希望參考電壓整形為方波，這樣便于比較，因此設(shè)置一個(gè)過(guò)零比較器lm339實(shí)現(xiàn)這一功能。電路圖如圖七所示。圖七 過(guò)零比較器 3.5相敏檢波電路的設(shè)計(jì)由于采用的交流電壓不能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力方向的判別，所以要利用相敏檢波的鑒相特性達(dá)到

10、這一目的。電路圖如圖八所示。圖八 相敏檢波電路從圖示知道，用jfet 做開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)0時(shí)，其導(dǎo)通，u4a正極為0電位，信號(hào)從負(fù)極輸入，放大倍數(shù)為，此時(shí)0；當(dāng)0時(shí)，jfet截止，信號(hào)從正極輸入，放大倍數(shù)為1，此時(shí)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。電路圖如圖九所示。 圖九 低通濾波電路 若取r10=1k，則由 可解得c1=4uf，另外取r9=

11、50，則此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的放大倍數(shù)是，則實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)的另一級(jí)分配，也還原了原始信號(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(chēng)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。4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)，本次課設(shè)中的誤差還是比較好地得到了控制。5心得體會(huì)通過(guò)這次課設(shè)，我進(jìn)一步體會(huì)到了工具的重要性，這包括軟件操作工具書(shū)等方面。因?yàn)槲覀儾豢赡軐W(xué)富五車(chē)，因而就有必要翻閱文獻(xiàn)資料，如設(shè)計(jì)用到的相關(guān)書(shū)籍，標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)等等。同時(shí)，具備較好的計(jì)算機(jī)水平也會(huì)給我們帶來(lái)巨大的益處，比如數(shù)學(xué)公式的