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壓式負荷傳感器設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)分析采用電阻應(yīng)變片設(shè)計一種電阻應(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、數(shù)量、粘貼方式并連接成交流電橋；2.選取適當形式的彈性元件，完成其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和受力分析，并根據(jù)測試極限范圍進行校核；3. 完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計；4.完成應(yīng)變電橋輸出信號的后續(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)計和相關(guān)電路參數(shù)計算，并繪制傳感器電路原理圖；5. 按規(guī)范撰寫一份課程設(shè)計說明書（5000字左右），說明書最后附上主要材料使用、元器件清單及價格，完成設(shè)計項目經(jīng)費預(yù)算。6.

2、設(shè)計完成后繪制彈性元件圖與機械裝配圖各一張（附加于圖紙）二、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1原理簡述電阻應(yīng)變式傳感器為本設(shè)計的主要部件，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，再利用交流全橋測量原理得到一定大小的輸出電壓，通過電路輸出電壓和標準重量的線性關(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）即可實現(xiàn)對物品質(zhì)量的稱重。本設(shè)計所測質(zhì)量范圍是0-300t，同時也將后續(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)電路包括雙運放高共模抑制比放大電路，線性全波檢波電路，二階無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）粘貼在測量壓力的彈性元件表面上，當被測壓力變化時，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變形，這個變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變形，根據(jù)所測電阻變化的大小來測量未知壓力，也實現(xiàn)本次設(shè)計未知質(zhì)量的檢測。設(shè)一根電阻絲，電阻率為，長度為,截面積為S，在未受力時的電阻值為 R= / S - 圖一 金屬絲伸長后幾何尺寸變化如圖一所示，電阻絲在拉力F作用下，長度增加，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)?，徑向?yīng)變?yōu)椋刹牧狭W(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變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達式為= - 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。對于金屬絲材料，項的值比小很多，可以忽略，故。大量實驗證明在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即為常數(shù)。通常金屬絲的=1.73.6?？蓪懗? -2.3彈性元件的選擇和設(shè)計通過查資料可知 40CrNiMo(常用調(diào)質(zhì)鋼)有高的強度、韌度和良好的淬透性和抗過熱的穩(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、齒輪、緊固件等。由此可知 40CrNiMo 適用于本傳感器的小量程的測量范圍，且又有高的強度和韌性滿足設(shè)計的傳感器要求，所以我選擇 40CrNiMo 作為本次設(shè)計的彈性元件材料。經(jīng)查閱資料，40CrNiMo 的彈性模量為 E = 209Gpa，抗拉強度為b =1100Mpa，屈服強度s = 835Mpa，抗剪強度為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，機械滯后小，疲勞壽命長等優(yōu)點，所以非常適合本次課設(shè)的應(yīng)用。本次實驗我使用的是BH350-3HA箔式應(yīng)變片，阻值為 350，柵長×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制造電阻應(yīng)變計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 與機械應(yīng)變具有良好而又寬廣的線性關(guān)系等。在應(yīng)變片選用時，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。通過查閱資料以及對這幾種材料的性能、成本對比，我選擇康銅作為敏感柵材料，則敏感柵的應(yīng)變計靈敏系數(shù) K=2，且其測量范圍大。2.4.3基底及引出線材料選擇基底材料選擇膠基，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作用，以保證應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。2.5設(shè)計思路以及校核2.5.1電橋設(shè)計思路：本設(shè)

8、計量程為：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)計算彈性元件的相關(guān)參數(shù)，再對彈性元件進行強度校核，直至滿足靈敏度和使用強度要求。采用恒壓源電橋電路，電路圖如下所示：粘貼方式：在實際測量中，作用力不可能正好通過柱體的中心軸線，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算S=F/E=7.14*10-3m2d=4S/=95.36mm為了防止彈性元件受壓時出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高選擇h應(yīng)當選得小些，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滿量程150%情況下：=1.5F/S=630.32 MPa<P=800 MPa計算表明，受力超過滿量程150%時的應(yīng)力遠遠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出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。輸出量的計算：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計算得電橋輸入電壓為：Ui=7.0647mV計算得電橋輸出電壓為：U0=2*7.0647=14mV 三、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計插座保護套空心柱體（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行裝配，最后插入螺桿進行固定（螺紋孔型號尺寸見最后附件圖）；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)邊的插座保護套內(nèi)；后續(xù)接入處理電路，進行相應(yīng)示數(shù)的顯示。（結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見附加圖紙）四、檢測電路設(shè)計及原理說明4.1 橋路的設(shè)計及原理原理：為了實現(xiàn)對應(yīng)變片的溫度補償同時提高靈敏度，選擇全橋電路作為測量電路，將 4 片應(yīng)變片接入電橋。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題（無壓力時電橋輸出應(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，用電阻電容進行調(diào)零；改變電位器上滑動觸電的位置，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)計及原理原理：由于電橋輸出的電壓較低，信號比較微弱，這需要有輸入阻抗很大的放大電路對微弱信號進行放大，而且為抑制測量電路中噪聲干擾信號，這里設(shè)計雙運放高共模抑制比放大電路如上圖所示，本設(shè)計放大倍數(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，選擇對測力電橋放大，差模信號從雙運放的同相輸入端輸入以獲得很大的輸入阻抗。這里單運放，低功耗，精密型，微安培輸入運算放大器 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、上式等號右邊第一項必須為零，可取R1R2=R4R3此時，電路的差動閉環(huán)增益為Kd=1+R4R3，帶入得放大100倍。4.3 線性全波檢波電路及原理原理：經(jīng)過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應(yīng)變信號的波形。本次設(shè)計只測量壓力大小，所以不需要判別力的方向，即不需要判斷輸入信號的相位，只需要將其大小檢出即可，所以本設(shè)計采用精密線性全波檢波電路如上圖所示；本設(shè)計用全波精密檢波電路進行包絡(luò)檢波和絕對值的計算，圖中 U5為反相放大 器，U3為電壓跟隨器。Vof >0 時，D2 和 D4 導(dǎo)通，D1、D3 截止，uo=Vof；Vof<0 時， 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 的絕對值，為減小偏置電流影響，取 R6=R5R7， R8=R9；由于檢波電路不對信號進行放大，故只要保證阻值關(guān)系即可。這里的輸入阻抗不能過大，經(jīng)過軟件仿真，若取 R5為 20k，用示波器查看發(fā)現(xiàn) Vof 為負的時候波形偏移失真較嚴重，故須減小輸入端所加的電阻，為了避免電路設(shè)計所使用的電阻值種類過多，增加元器件的互換性和采購的方便性，故設(shè)計盡量使用阻值一樣的電阻，而下述濾波器的設(shè)計需要嚴格滿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設(shè)計。4.4 無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)計截止頻率為5Hz。本設(shè)計采用性能較好的二階濾波器以提高測量的精度和減小信號的漂移，采用無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)計電容選擇用表，確定電容 C1=10uF，則換標系數(shù) K=100 / fc·C1=2，則R11=2.565 k，R12=3.292 k，R10=5.130 k經(jīng)過查閱資料得知，市場上沒有這兩種標準的電阻賣，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，運放同相輸入端匹配電阻 R13=1.0k以減小運放零點的漂移。4.5 直流放大電路原理：電橋輸出的信號經(jīng)過一級放大與檢波、濾波后信號依然很微弱，需要

16、接直流放大電路將其放大，且對應(yīng)的電壓為3V。U6為反相放大器，以使最后輸出信號為正。設(shè)置反饋電阻 R16為變阻器，以調(diào)節(jié)本級電路放大增益，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電路構(gòu)成。連接電路后，將測得值直接顯示在數(shù)碼管上，沒有因長距離離輸送信號帶來的誤差，可使測量結(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256級，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)換時間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換

17、速度快且穩(wěn)定性能強；（3）獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便；（4）通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(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)果運算放大電路放大電壓示數(shù) 由電壓表示數(shù)易知：雙運放電路將輸入信號放大了100倍。線性全波檢波波形圖由圖可知：線性檢波電路將正弦信號橫軸以下的部分全部轉(zhuǎn)為橫軸以上，實現(xiàn)了包絡(luò)檢波功能。低通濾波后波形對照圖由圖可知：經(jīng)過低通濾波后，交流信號已經(jīng)變?yōu)閹缀鯖]有變化的直流信號。直流放大后電壓示數(shù)由電壓表示數(shù)易知：經(jīng)過雙運放放大電路、線性檢波電路、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

18、幾，非常符合設(shè)計要求。5.2誤差分析誤差的形成主要來源于溫度誤差，造成溫度誤差的原因主要有以下兩個：第一，敏感柵電阻隨溫度變化會引起誤差；第二，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)生附加拉長或壓縮，引起電阻變化。這樣的溫度誤差可以通過橋路進行補償，如本設(shè)計中的全橋電路就很好地實現(xiàn)了溫度的補償其次，電橋還具有非線性誤差，由于對金屬絲電阻應(yīng)變片，電橋非線性誤可以忽略，所以也不影響本次設(shè)計。第二，電路設(shè)計中由于元器件如電容電阻等無源器件制造誤差和近似誤差而造成的測量誤差，有源器件如運放的漂移和兩輸入端不對稱而造成的共模干擾誤差，以及線路的寄生電容、電感造成的誤差，需要選擇性能較高的運放以

19、提高測量精度。還有彈性元件關(guān)鍵尺寸誤差而造成的實際應(yīng)變量與顯示應(yīng)變量不一致而造成的誤差等。所以對于如同工頻等的干擾，我們盡量通過電路的優(yōu)化除去干擾，如通過高共模抑制比以放以及低通濾波器進行改進。我們應(yīng)當盡可能的通過合理設(shè)置彈性元件結(jié)構(gòu)、合理設(shè)置電路的補償與矯正來減小誤差，提高測量精度。六、小結(jié)、建議與體會整個設(shè)計通過了軟件和硬件上的調(diào)試。我想這對于自己以后的學(xué)習(xí)和工作都會有很大的幫助。在這次設(shè)計中遇到了很多實際性的問題，在實際設(shè)計中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性的東西與在實際運用中的還是有一定的出入的，所以有些問題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯誤思維。一切問題必須要靠自己一點一滴的解決，而在解決的過程當中你會發(fā)現(xiàn)自己在飛速的提升。對于教材管理系統(tǒng)，其程序是比較簡單的，主要是解決程序設(shè)計中的問題，而程序設(shè)計是一個很靈活的東西，它反映了你解決問題的邏輯思維和創(chuàng)新能力，它才是一個設(shè)計的靈魂所在。因此在整個設(shè)計過程中大部分時間是用在程序上面的。很多子程序是可以借鑒書本上的，但怎樣銜