基于電阻應(yīng)變片的YLR壓式傳感器

1、基于電阻應(yīng)變片的YLR-3F壓式負(fù)荷傳感器設(shè)計(jì)一、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)變式壓力傳感器（0-3000kN），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，并根據(jù)測(cè)試極限范圍進(jìn)行校核；3. 完成傳感器的外觀(guān)與裝配設(shè)計(jì)；4.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、直流放大電路）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；5. 按規(guī)范撰寫(xiě)一份課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（5000字左右），說(shuō)明書(shū)最后附上主要材料使用、元器件清單及價(jià)格，完成設(shè)計(jì)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算。6.

2、設(shè)計(jì)完成后繪制彈性元件圖與機(jī)械裝配圖各一張（附加于圖紙）二、傳感器的結(jié)構(gòu)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)重量的線(xiàn)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(chēng)重。本設(shè)計(jì)所測(cè)質(zhì)量范圍是0-300t，同時(shí)也將后續(xù)處理電路的電壓處理為最大輸出3V。由于采用了交流電橋，所以后續(xù)電路包括雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路，線(xiàn)性全波檢波電路，二階無(wú)限增益多路反饋巴特沃斯低通濾波電路，直流放大電路，以及AD轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的數(shù)字

3、顯示。2.2應(yīng)變片工作原理電阻應(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,截面積為S，在未受力時(shí)的電阻值為 R= / S - 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

4、-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 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彈性元件的選擇和設(shè)計(jì)通過(guò)查資料可知 40CrNiMo(常用調(diào)質(zhì)鋼)有高的強(qiáng)度、韌度和良好的淬透性和抗過(guò)熱的穩(wěn)定性，但有回火脆性。焊接性較差，焊前需經(jīng)高溫預(yù)熱，焊后需消除應(yīng)力，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。一般制作強(qiáng)度高、塑性好的重要零部件，氮化處理后制作特殊性能要求的重要零

5、件，如軸類(lèi)、齒輪、緊固件等。由此可知 40CrNiMo 適用于本傳感器的小量程的測(cè)量范圍，且又有高的強(qiáng)度和韌性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的傳感器要求，所以我選擇 40CrNiMo 作為本次設(shè)計(jì)的彈性元件材料。經(jīng)查閱資料，40CrNiMo 的彈性模量為 E = 209Gpa，抗拉強(qiáng)度為b =1100Mpa，屈服強(qiáng)度s = 835Mpa，抗剪強(qiáng)度為bs = 384Mpa，彈性極限p=800Mpa，泊松比 u=0.29。2.4應(yīng)變片的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式很多，但其主要組成部分基本相同。其中較為典型的是絲式、箔式和半導(dǎo)體式。2.4.1電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)選擇從理論學(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

6、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。本次實(shí)驗(yàn)我使用的是BH350-3HA箔式應(yīng)變片，阻值為 350，柵長(zhǎng)×柵寬為 5.0×2.3（mm mm），其基底尺寸是9.4×10.2（mm mm），該應(yīng)變片環(huán)氧基底，適用于傳感器應(yīng)力分析。2.4.2電阻敏感柵的材料選擇敏感柵合金材料的選擇對(duì)制造電阻應(yīng)變計(jì)性能好壞起著決定性的作用，因此它的材料選擇要求比較多，比如：敏感柵必須有較高的靈敏系數(shù)，并且在較大的應(yīng)用范圍內(nèi)保持不變；有高的和穩(wěn)定的電阻率；電阻溫度系數(shù)小，電阻溫度間的線(xiàn)性關(guān)系和重復(fù)性好，并有足

7、夠的熱穩(wěn)定性；電阻變化率 / R RD 與機(jī)械應(yīng)變具有良好而又寬廣的線(xiàn)性關(guān)系等。在應(yīng)變片選用時(shí)，只能給予綜合考慮，常用的電阻合金大致有以下幾種：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴重金屬等。通過(guò)查閱資料以及對(duì)這幾種材料的性能、成本對(duì)比，我選擇康銅作為敏感柵材料，則敏感柵的應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù) K=2，且其測(cè)量范圍大。2.4.3基底及引出線(xiàn)材料選擇基底材料選擇膠基，厚度為 0.03mm-0.05mm。引線(xiàn)材料采用直徑為 0.15-0.18mm 的鉻鎳金屬絲引線(xiàn)。最后在安裝后的應(yīng)變片和引線(xiàn)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。2.5設(shè)計(jì)思路以及校核2.5.1電橋設(shè)計(jì)思路：本設(shè)

8、計(jì)量程為：力F=3000kN，傳感器靈敏度 K 一般為（13）mV/V，這里取 K=2mV/V，以此為依據(jù)計(jì)算彈性元件的相關(guān)參數(shù)，再對(duì)彈性元件進(jìn)行強(qiáng)度校核，直至滿(mǎn)足靈敏度和使用強(qiáng)度要求。采用恒壓源電橋電路，電路圖如下所示：粘貼方式：在實(shí)際測(cè)量中，作用力不可能正好通過(guò)柱體的中心軸線(xiàn)，所以這樣的柱體彈性元件除了受到拉（壓）外，還受到橫向力和彎矩。按上圖所示進(jìn)行應(yīng)變片的粘貼、連接方法可以減小這種影響。圖中各應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為： 式中：為溫度引起的虛假應(yīng)變。2.5.2彈性元件校核：根據(jù)橋式電路輸出為： /2=（1-3）mV/V取應(yīng)變片K=2，計(jì)算得=0.002/1.29=1.5*10-3取max=2

9、*10-3彈性元件的直徑和柱高的計(jì)算S=F/E=7.14*10-3m2d=4S/=95.36mm為了防止彈性元件受壓時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高選擇h應(yīng)當(dāng)選得小些，但又必須使h=2d=190.7mm最大正應(yīng)力:=F/S=3*1067.14*10-3=420.168MPa<23P=533.33 MPa所以選用此彈性元件，滿(mǎn)足在單向最大應(yīng)力下工作，保證107次以上的壽命核載在超過(guò)滿(mǎn)量程150%情況下：=1.5F/S=630.32 MPa<P=800 MPa計(jì)算表明，受力超過(guò)滿(mǎn)量程150%時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的比例極限和臨界應(yīng)力，這表明該彈性元件不會(huì)出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。輸出量的計(jì)算：橋路靈敏度：U0/

10、Ui=(1+)K/2=1.995mV/V=2.0 mV/V2.5.3電橋輸入輸出計(jì)算Ui=2Rg*PG*Fg式中 Rg：應(yīng)變片電阻；Fg：敏感柵面積；PG：敏感柵上的功率密度，可取 PG=（1.63.1）×10-3W/mm2取 PG=3.1×10-3 W/mm2計(jì)算得電橋輸入電壓為：Ui=7.0647mV計(jì)算得電橋輸出電壓為：U0=2*7.0647=14mV 三、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)插座保護(hù)套空心柱體（底部螺紋孔）中心柱體（底部螺紋孔）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理描述：中心柱體上表面承受壓力，在底部穿螺紋孔用于和空心柱體螺紋孔進(jìn)行裝配，最后插入螺桿進(jìn)行固定（螺紋孔型號(hào)尺寸見(jiàn)最后附件圖）；在空心柱體

11、內(nèi)部設(shè)置應(yīng)變片及相應(yīng)的電路(上文已提供應(yīng)變片位置和貼法)，最后將輸出電壓輸出到空心柱體側(cè)邊的插座保護(hù)套內(nèi)；后續(xù)接入處理電路，進(jìn)行相應(yīng)示數(shù)的顯示。（結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見(jiàn)附加圖紙）四、檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及原理說(shuō)明4.1 橋路的設(shè)計(jì)及原理原理：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償同時(shí)提高靈敏度，選擇全橋電路作為測(cè)量電路，將 4 片應(yīng)變片接入電橋。其次，考慮到連線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)分布電容的影響及交流電橋的初始平衡性問(wèn)題（無(wú)壓力時(shí)電橋輸出應(yīng)為零），應(yīng)在橋路中采取調(diào)零電路。四臂電橋接法如上圖所示，用電阻電容進(jìn)行調(diào)零；改變電位器上滑動(dòng)觸電的位置，以改變并聯(lián)到橋壁上的阻、容串聯(lián)而形成的阻抗相角，可達(dá)到平衡條件。電橋最大的輸出：U0=2*7.0

12、647=14mV4.2 放大電路設(shè)計(jì)及原理原理：由于電橋輸出的電壓較低，信號(hào)比較微弱，這需要有輸入阻抗很大的放大電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，而且為抑制測(cè)量電路中噪聲干擾信號(hào)，這里設(shè)計(jì)雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路如上圖所示，本設(shè)計(jì)放大倍數(shù)可調(diào)以方便于調(diào)試可使用。主要放大電路采取差模輸入，選擇對(duì)測(cè)力電橋放大，差模信號(hào)從雙運(yùn)放的同相輸入端輸入以獲得很大的輸入阻抗。這里單運(yùn)放，低功耗，精密型，微安培輸入運(yùn)算放大器 OP07CP以獲得較好的放大性能?？刂破浞糯蟊稊?shù)為 100倍，以減小失真。電路原理計(jì)算：輸出u0=（1-R2R4R1R3）uic+12(1+2R4R3+R2R4R1R3)uid為了獲得零共模增益，

13、上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)必須為零，可取R1R2=R4R3此時(shí)，電路的差動(dòng)閉環(huán)增益為Kd=1+R4R3，帶入得放大100倍。4.3 線(xiàn)性全波檢波電路及原理原理：經(jīng)過(guò)放大以后的波形仍為調(diào)幅波，必須用檢波器將它還原為被檢測(cè)應(yīng)變信號(hào)的波形。本次設(shè)計(jì)只測(cè)量壓力大小，所以不需要判別力的方向，即不需要判斷輸入信號(hào)的相位，只需要將其大小檢出即可，所以本設(shè)計(jì)采用精密線(xiàn)性全波檢波電路如上圖所示；本設(shè)計(jì)用全波精密檢波電路進(jìn)行包絡(luò)檢波和絕對(duì)值的計(jì)算，圖中 U5為反相放大 器，U3為電壓跟隨器。Vof >0 時(shí)，D2 和 D4 導(dǎo)通，D1、D3 截止，uo=Vof；Vof<0 時(shí)， D1、D3導(dǎo)通，D2 和 D3

14、4截止，取 R5=R7， Vo=- uo ，所以輸出 uo 始終為 Vof 的絕對(duì)值，為減小偏置電流影響，取 R6=R5R7， R8=R9；由于檢波電路不對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，故只要保證阻值關(guān)系即可。這里的輸入阻抗不能過(guò)大，經(jīng)過(guò)軟件仿真，若取 R5為 20k，用示波器查看發(fā)現(xiàn) Vof 為負(fù)的時(shí)候波形偏移失真較嚴(yán)重，故須減小輸入端所加的電阻，為了避免電路設(shè)計(jì)所使用的電阻值種類(lèi)過(guò)多，增加元器件的互換性和采購(gòu)的方便性，故設(shè)計(jì)盡量使用阻值一樣的電阻，而下述濾波器的設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格滿(mǎn)足阻值的精度和大小，故這里電阻阻值根據(jù)濾波器使用的電阻來(lái)設(shè)計(jì)。4.4 無(wú)限增益多路反饋型電路（巴特沃斯低通濾波器）原理：這里低通濾波

15、器設(shè)計(jì)截止頻率為5Hz。本設(shè)計(jì)采用性能較好的二階濾波器以提高測(cè)量的精度和減小信號(hào)的漂移，采用無(wú)限增益多路反饋型二階巴特沃斯低通濾波器。根據(jù)二階有源濾波器設(shè)計(jì)電容選擇用表，確定電容 C1=10uF，則換標(biāo)系數(shù) K=100 / fc·C1=2，則R11=2.565 k，R12=3.292 k，R10=5.130 k經(jīng)過(guò)查閱資料得知，市場(chǎng)上沒(méi)有這兩種標(biāo)準(zhǔn)的電阻賣(mài)，故在誤差允許范圍內(nèi)做調(diào)整令R10=5.0 k，R11=2.0k，R12=3.0k，運(yùn)放同相輸入端匹配電阻 R13=1.0k以減小運(yùn)放零點(diǎn)的漂移。4.5 直流放大電路原理：電橋輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大與檢波、濾波后信號(hào)依然很微弱，需要

16、接直流放大電路將其放大，且對(duì)應(yīng)的電壓為3V。U6為反相放大器，以使最后輸出信號(hào)為正。設(shè)置反饋電阻 R16為變阻器，以調(diào)節(jié)本級(jí)電路放大增益，便于后續(xù)的輸出和顯示。4.6 AD轉(zhuǎn)換及顯示電路本電路由3ADC0832、數(shù)碼顯示管以及單片機(jī)電路構(gòu)成。連接電路后，將測(cè)得值直接顯示在數(shù)碼管上，沒(méi)有因長(zhǎng)距離離輸送信號(hào)帶來(lái)的誤差，可使測(cè)量結(jié)果更加精確。選用ADC0832原因 （1）其為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間；（2）芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換

17、速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)；（3）獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便；（4）通過(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。五、電路仿真結(jié)果及誤差分析5.1電路仿真結(jié)果運(yùn)算放大電路放大電壓示數(shù) 由電壓表示數(shù)易知：雙運(yùn)放電路將輸入信號(hào)放大了100倍。線(xiàn)性全波檢波波形圖由圖可知：線(xiàn)性檢波電路將正弦信號(hào)橫軸以下的部分全部轉(zhuǎn)為橫軸以上，實(shí)現(xiàn)了包絡(luò)檢波功能。低通濾波后波形對(duì)照?qǐng)D由圖可知：經(jīng)過(guò)低通濾波后，交流信號(hào)已經(jīng)變?yōu)閹缀鯖](méi)有變化的直流信號(hào)。直流放大后電壓示數(shù)由電壓表示數(shù)易知：經(jīng)過(guò)雙運(yùn)放放大電路、線(xiàn)性檢波電路、低通濾波電路、直流放大電路后，電壓輸出為3.006V，與原電路設(shè)想3V相差無(wú)

18、幾，非常符合設(shè)計(jì)要求。5.2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)：第一，敏感柵電阻隨溫度變化會(huì)引起誤差；第二，試件材料與應(yīng)變絲材料的線(xiàn)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(xiàn)性誤差，由于對(duì)金屬絲電阻應(yīng)變片，電橋非線(xiàn)性誤可以忽略，所以也不影響本次設(shè)計(jì)。第二，電路設(shè)計(jì)中由于元器件如電容電阻等無(wú)源器件制造誤差和近似誤差而造成的測(cè)量誤差，有源器件如運(yùn)放的漂移和兩輸入端不對(duì)稱(chēng)而造成的共模干擾誤差，以及線(xiàn)路的寄生電容、電感造成的誤差，需要選擇性能較高的運(yùn)放以

19、提高測(cè)量精度。還有彈性元件關(guān)鍵尺寸誤差而造成的實(shí)際應(yīng)變量與顯示應(yīng)變量不一致而造成的誤差等。所以對(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)高共模抑制比以放以及低通濾波器進(jìn)行改進(jìn)。我們應(yīng)當(dāng)盡可能的通過(guò)合理設(shè)置彈性元件結(jié)構(gòu)、合理設(shè)置電路的補(bǔ)償與矯正來(lái)減小誤差，提高測(cè)量精度。六、小結(jié)、建議與體會(huì)整個(gè)設(shè)計(jì)通過(guò)了軟件和硬件上的調(diào)試。我想這對(duì)于自己以后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大的幫助。在這次設(shè)計(jì)中遇到了很多實(shí)際性的問(wèn)題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中才發(fā)現(xiàn)，書(shū)本上理論性的東西與在實(shí)際運(yùn)用中的還是有一定的出入的，所以有些問(wèn)題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯(cuò)誤思維。一切問(wèn)題必須要靠自己一點(diǎn)一滴的解決，而在解決的過(guò)程當(dāng)中你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己在飛速的提升。對(duì)于教材管理系統(tǒng)，其程序是比較簡(jiǎn)單的，主要是解決程序設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，而程序設(shè)計(jì)是一個(gè)很靈活的東西，它反映了你解決問(wèn)題的邏輯思維和創(chuàng)新能力，它才是一個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂所在。因此在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中大部分時(shí)間是用在程序上面的。很多子程序是可以借鑒書(shū)本上的，但怎樣銜