傳感器課程設(shè)計

1、課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 課程名稱 傳感器設(shè)計與實踐 題目名稱 應(yīng)變式荷重傳感器及電路轉(zhuǎn)換設(shè)計 學(xué)生學(xué)院 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 20010 年 6 月 28 日廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書“傳感器設(shè)計與實踐”之二題目名稱應(yīng)變式荷重傳感器及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計學(xué)生學(xué)院信息工程學(xué)院專業(yè)班級姓 名學(xué) 號一、課程設(shè)計的內(nèi)容通過設(shè)計型實驗，掌握傳感器設(shè)計的一般過程與步驟。具體內(nèi)容包括：了解荷重測量的一般方法；制定利用應(yīng)變式傳感器測量荷重的方案；利用工程力學(xué)和傳感器知識進(jìn)行必要的理論分析與計算；利用 CAD 軟件進(jìn)行荷重傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與零件設(shè)計；設(shè)計傳感器轉(zhuǎn)換電路，并進(jìn)行電路調(diào)試或仿真

2、。二、課程設(shè)計的要求與數(shù)據(jù)1、本實踐環(huán)節(jié)，采用以教學(xué)輔導(dǎo)、學(xué)生自主設(shè)計、自主實驗的教學(xué)形式。2、傳感器技術(shù)參數(shù)：測力范圍：11031105 N； 稱量精度：1 %3、要求設(shè)計說明書字?jǐn)?shù)不少于 5000 字。三、課程設(shè)計應(yīng)完成的工作1、了解荷重測量的一般方法，制定利用應(yīng)變式傳感器測量重物的方案； 2、進(jìn)行必要的理論分析與計算，確定傳感器基本尺寸； 3、應(yīng)變式荷重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計；繪制傳感器裝配圖和部分零件圖；4、傳感器轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和仿真調(diào)試； 5、編制設(shè)計說明書。四、課程設(shè)計進(jìn)程安排序號設(shè)計各階段內(nèi)容答疑地點起止日期1布置設(shè)計任務(wù)。學(xué)生查找相關(guān)資料教 3-1126 月 21 日2選定傳感器型式和

3、結(jié)構(gòu)方案；進(jìn)行相關(guān)理論分析與計算；確定傳感器主要結(jié)構(gòu)尺寸工學(xué) 1#-1076 月 2123 日3傳感器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配圖、零件圖的設(shè)計工學(xué) 1#-1076 月 2526 日4根據(jù)所設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計轉(zhuǎn)換電路宿舍6 月 27 日5傳感器測量轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試宿舍6 月 28 日6傳感器制作工藝研究工學(xué) 1#-1076 月 29 日7撰寫設(shè)計說明書宿舍6 月 30 日8分組答辯工學(xué) 1#-1077 月 1 日五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1、李科杰新編傳感器技術(shù)手冊（M） 國防工業(yè)出版社，2002 年2、強錫富傳感器（第 3 版） （M） 機械工業(yè)出版社，2001 年3、丁鎮(zhèn)生傳感器及傳感技術(shù)

4、應(yīng)用（M） 電子工業(yè)出版社，1999 年4、黃繼昌傳感器工作原理及應(yīng)用實例（M） 人民郵電出版社，1998 年5、陳爾紹傳感器實用裝置制作集錦（M） 人民郵電出版社，2000 年6、黃賢武傳感器實際應(yīng)用電路設(shè)計（M） 電子科技大學(xué)出版社，1997 年發(fā)出任務(wù)書日期：2010 年 6 月 21 日 指導(dǎo)教師簽名： （駱德漢、黎勉）（陳益民、查曉春）計劃完成日期： 2009 年 7 月 2 日 基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章：主管院長簽章：主管院長簽章：目錄目錄1.1.壓力測量的一般方法的比較與選定壓力測量的一般方法的比較與選定 .3 3壓阻式傳感器 .4壓電式傳感器 .5電容式傳感器 .6應(yīng)變式傳感器

5、.7電感式壓力傳感器.92.2.方案制定方案制定 .1111輪輻式傳感器 .11梁式傳感器 .12環(huán)式傳感器 .13柱式傳感器 .143.3.彈性元件彈性元件 .1717彈性元件的材料 .17彈性元件的要求.17彈性元件的選擇 .18常見的彈性元件.18硬化不銹鋼材料介紹 .18_Toc205028166彈性元件的分析和計算 .19彈性元件的參數(shù)計算.193.3.2 截面積的計算 .203.3.3 柱高 h 及其他尺寸的確定 .214.4.電阻應(yīng)變片的選擇電阻應(yīng)變片的選擇 .2222電阻應(yīng)變片類型的選擇 .22應(yīng)變計的材料 .22應(yīng)變計敏感柵的材料.22應(yīng)變計主要參數(shù)的確定 .24幾何尺寸.2

6、4金屬箔式應(yīng)變片.25基于彈性體結(jié)構(gòu)和測量要求選用應(yīng)變片的參數(shù)：.255.5.外殼尺寸確定外殼尺寸確定 .26266 6 測量電路原理分析及設(shè)計測量電路原理分析及設(shè)計.2727電阻應(yīng)變式傳感器測量電路的各組成電路： .27電橋電路：.27調(diào)零電路：.276.1.3 手動調(diào)幅可調(diào)電路: .28用 MULTISIM實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換電路圖： .29參數(shù)選定： .29關(guān)鍵點理論值與模擬值的計算 .30用 MATLAB 實現(xiàn)的 FV 曲線對比 .317.7.總結(jié)與致謝總結(jié)與致謝 .33338.8.主要參考文獻(xiàn)主要參考文獻(xiàn) .34349.9.附錄附錄 .3434壓力傳感器應(yīng)用廣泛、影響面寬，不只可以測量力和壓力

7、，也可用于測量負(fù)荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它們都與機械應(yīng)力有關(guān)，所以把這類傳感器稱為力學(xué)量傳感器。傳統(tǒng)的測量力的方法是利用彈性元件的形變和位移來表示的，其特點是成本低、不需要電源，但體積大、笨重、輸出為非電量。普遍應(yīng)用的有壓阻式、壓電式、電容式、電阻式、電感式等等。近幾年又發(fā)展了微波傳感器、超聲波傳感器、生物傳感器、視覺傳感器、光纖式傳感器等傳感器。以下分別介紹一般常用的傳感器。放大輸出型標(biāo)定級餅型 微型超小型罐筒型 同軸嵌入型圓環(huán)柱型條型 Z 型S 型汽車工業(yè)用荷重傳感器主要類型 固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強。其中半導(dǎo)

8、體電阻材料有結(jié)晶的硅和鍺，摻入雜質(zhì)形成 P 型和 N 型半導(dǎo)體。壓阻式傳感器便是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。圖 1.1 兩種微型壓阻式傳感器的膜片圖 1.2 壓阻式傳感器實物圖壓電式傳感器以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理。按轉(zhuǎn)換方式可以分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當(dāng)某些物質(zhì)在外力作用下變形時，某些相應(yīng)表面上就會產(chǎn)生異種電荷，去掉外力后又回到不帶電狀態(tài)。這種沒有外電場只是形變產(chǎn)生的極化現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。在這些物質(zhì)上施加電場時不僅產(chǎn)生極化同時還產(chǎn)生了應(yīng)力或應(yīng)變，去掉電場后，該物質(zhì)的變形隨之消失，把這種電能變成機械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)。壓電式傳感器的工作原

9、理是以物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，它是一種發(fā)電式傳感器。 由于壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要功能，加上它的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，固有頻率高，靈敏度和信噪比高、動態(tài)特性好、耐高溫等優(yōu)點，因此，30 多年來壓電式傳感器的應(yīng)用獲得飛躍的發(fā)展。壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點是無靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，許多壓電材料的工作溫度只有 250 度左右。按彈性敏感元件和受力機構(gòu)的形式，壓電式傳感器可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式壓電傳感器 膜片式壓電傳感器 壓電傳感器實物圖電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，實質(zhì)上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。 電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡

10、單、動態(tài)響應(yīng)快、易實現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，它所存在的易受干擾和分布電容影響等缺點不斷得以克服，而且還開發(fā)出容柵位移傳感器和集成電容式傳感器。因此它廣泛應(yīng)用于壓力、位移、加速度、液位、成分含量等測量之中。 電容式傳感器的基本原理可以用平板電容器說明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容 C 為： C=SSor 式中 ，S 和 ，中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容 C。 和 S 的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化； 的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。實際應(yīng)用時，常常僅改變 、S 和 之中的一個參數(shù)來使 C 發(fā)生變化。所以電容式傳感器可分為

11、三種基本類型：變極距(變間隙)()型（如圖 1.5 所示） ，變介電常數(shù)()型（如圖 1.6 所示）和變面積型（S）型（如圖 1.7 所示） 。 A B d0 d1 0 1 圖 1.6 變介電常數(shù)型電容式傳感器 d0 圖 1.5 變極距型電容式傳感器 d a b x (a)角位移式 (b)直線位移式圖1.7 變面積型電容式傳感器圖 1.8 電容式傳感器實物圖應(yīng)變式傳感器也稱應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng),將測量物體的變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工程測量和科學(xué)實驗中。當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬電阻的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 r

12、 r F L L 圖 1.9 金屬電阻應(yīng)變效應(yīng) 設(shè)有一根長度為 L 的，截面積為 S，電阻率為 的金屬絲，在未受力時，原始電阻為：R=SL當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力 F 作用時，將伸長 L，橫截面積相應(yīng)減小 S，電阻值 R 的變化引起電阻的相對變化為：由材料力學(xué)知：其中： -沿某徑向的壓阻系數(shù)，與材料及徑向有關(guān)； E-彈性模量； -材料所受應(yīng)力。忽略壓阻效應(yīng)，并根據(jù)有關(guān)的力學(xué)應(yīng)變關(guān)系可得到公式如下： =0)21 (2kEERR0kLL可見在金屬電阻絲的拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與軸向應(yīng)變成正比。應(yīng)變式傳感器類型有：金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，金屬薄膜應(yīng)變片三種。 特點： 可測微應(yīng)變 1-

13、2m，且精度高、性能穩(wěn)定； 尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快；測量范圍大； 環(huán)境要求不高； 便于多點測量。 圖 1.10 電阻應(yīng)變片組成圖 圖 1.11 應(yīng)變式傳感器實物圖ELL 在電感式壓力傳感器中，大都采用變隙式電感作為檢測元件，它和彈性元件組合在一起構(gòu)電感式壓力傳感器。檢測元件由線圈、鐵芯、銜鐵組成，銜鐵安裝在彈性元件上。在銜鐵和鐵芯之間存在著氣隙 ，它的大小隨著外力 F 的變化而變化。其線圈的電感 L 可按下式計算，即L=N2Rm 式中 N 為線圈匝數(shù)；Rm為磁路總磁阻(1H)，表示物質(zhì)對磁通量所呈現(xiàn)的阻力。磁通量的大小不但和磁勢有關(guān)，而且也和磁阻的大小有關(guān)；當(dāng)磁勢一定時，磁路上的磁阻

14、越大，則磁通量越小。磁路上氣隙的磁阻比導(dǎo)體的磁阻大得多。假設(shè)氣隙是均勻的，且導(dǎo)磁截面與鐵芯的截面相同，在不考慮磁路中的鐵損時，磁阻可表示為：Rm=AA021式中 l 為磁路長度(m)； 為導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率(Hm)；A 為導(dǎo)磁體的截面積(m2)； 為氣隙|量(m)；0為空氣的導(dǎo)磁率(410-7Hm)。 由于 02D+L (3-7)式中 L 為應(yīng)變片的基長。對于空心的圓柱為 HD-d+L (3-8)因此，經(jīng)比較分析選取空心圓柱作為彈性體。根據(jù)上表可以比較, 本次的傳感器采用不銹鋼 ICr18Ni9, 查表得 s=1200MPa，E=200GPa。根據(jù)許用應(yīng)力計算公式 = ，當(dāng)安全系數(shù)取 2 得：ss

15、nsn MPaMPanss60021200根據(jù)公式 (3-5) 得： 27max22117106010000)(4mmFdDS又因為應(yīng)變片的應(yīng)變比為 800-2000,取 0=1000 當(dāng)彈性體的應(yīng)變比 1小于 c才不至于損壞應(yīng)變片 ，得到以下關(guān)系式：1=0P2690max20 .501010001020010000mmEFS當(dāng)彈性體的截面積同時大于 S1 ，S2 時才能滿足整體的設(shè)計要求。=maxS1 ，S2= S20 .50 mm為了使傳感器過載 50%時不至于損壞可是當(dāng)增大其面積：227550%501mmmmS彈性元件的外徑 D 不能選擇太小，否則會由于力的偏心造成很大的誤差。在實際計算

16、時先按照額定載荷 F，根據(jù)材料的參數(shù)求得并由式(3-6)得：42FDdcm96. 2106001000041030622這樣空心管的壁厚為：tcmdD1 . 0)(21為了防止彈性元件受壓時出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高 H 應(yīng)當(dāng)選得小些，但又必須使應(yīng)變片能夠反映截面應(yīng)變的平均值，這里選用彈性元件工作段的長度為：cmDH5 . 76)5 . 22(取 H7cm由于壁很薄，還必須檢驗是否會出現(xiàn)局部失穩(wěn)。薄壁管的失穩(wěn)臨界應(yīng)力公式為： )1 (3)(212limdDEt4130)272. 01 (3108 . 20 . 321101 . 0102002229在超過滿量程 150%的情況下，彈性元件截面中的應(yīng)力為

17、：MPaAF59108 . 234100005 . 15 . 1422因此，受力超過滿量程的 150%時的應(yīng)力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的比例極限和臨界應(yīng)力這表明該元件不會出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。此外，在兩端需有螺紋孔，以便連接螺栓，選用螺孔為 M6，它的許用載荷大于10000N。 電阻應(yīng)變計簡稱應(yīng)變計（亦稱為電阻應(yīng)變片或簡稱應(yīng)變片） 。它由四個部分組成。第一是電阻絲（敏感柵） ，它是應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換元件。第二是基底和面膠（或覆蓋層） 。基底是將長肝氣彈性體表面的應(yīng)變傳遞到電阻絲柵上的中間介質(zhì)，并起到電阻絲與彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護(hù)電阻絲的作用。第三是粘合劑，它將電阻絲與基底粘貼在一起。第四是引出線，它作為聯(lián)

18、結(jié)測量導(dǎo)線之用。電阻應(yīng)變片主要分為電阻絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。由于電阻絲式應(yīng)變片有橫向效應(yīng)對測量的精度有影響，使靈敏度降低，而且耐疲勞性能不高。金屬薄膜應(yīng)變片尚難控制電阻與溫度的變化關(guān)系，不常用。故選用金屬箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點： (1)本身性能穩(wěn)定，受溫度變化的影響??； (2)使用溫度范圍比較寬，在-269+350 度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作； (3)適用于各種彈性體材料及彈性結(jié)構(gòu)形式，粘貼操作簡便；(4)價格便宜。(a)單軸的 (b)測扭矩的 (c)多軸的(應(yīng)變花) 各種金屬箔式應(yīng)變片(1)材料的選用原則 應(yīng)變計敏感柵合金材料的選擇對制作應(yīng)變計性能的好壞起著決定性的作用

19、，因此對制作應(yīng)變計所用的應(yīng)變電阻合金有以下的要求：a 有較高的靈敏系數(shù)；b 電阻率高；c 電阻溫度系數(shù)小，具有足夠的熱穩(wěn)定性；d 機械強度高，壓碾或拉伸性能好，高溫時耐氧化性能要好，耐腐蝕性能強；e 與其它金屬接觸的熱電勢??；f 與引出線焊接容易。(2)常用的應(yīng)變計材料 目前國內(nèi)還沒有一種金屬材料能滿足上述全部要求，因此在選用時，只能給予綜合考慮，常用的有康銅、鎳鉻、卡瑪合金、鎳鉻硅錳等合金。其各自性能分別如下： a 康銅: 電阻溫度系數(shù)較小而且穩(wěn)定，同時它的 Ko 值對應(yīng)變值的穩(wěn)定性非常高，不但在變形的彈性范圍 Ko 保持為常熟，在進(jìn)入塑性范圍后，亦基本保持為常數(shù)。所以用康銅作為敏感柵的音變

20、機，測量范圍大，可用于大應(yīng)變測量（達(dá) 22） 。 對康銅用不同的方法進(jìn)行加工、不同的熱處理、或者改變合金成份的比例，可以改變它的電阻溫度系數(shù)（由負(fù)值到正值有較大的范圍） ，利用這種特性可以制造溫度自補償應(yīng)變計。在靜態(tài)應(yīng)變測量時，康銅的工作溫度達(dá) 300C，在動態(tài)測量時，可用到 400C。它可以在高的流體徑壓力下和核輻射的環(huán)境下工作。 b 鎳鉻合金: 具有較高的電阻率，適于制造小標(biāo)距的應(yīng)變計。但電阻溫度系數(shù)較大，主要用于動態(tài)應(yīng)變測量，使用溫度可達(dá) 800C。在鎳鉻合金中加入少量的其它金屬或元素，可以改善合金的性能。例如摻入少量的鐵、鋁可制成卡瑪合金（6J22） ，摻入少量的銅、鋁可制成 6J23

21、，使電阻率提高和降低電阻溫度系數(shù)，是指成為更好的適于靜態(tài)測量的材料。c 鐵鉻鋁合金:其電阻率較高，靈敏系數(shù)較大，而電阻溫度系數(shù)比鎳鉻合金小得多，比銅鎳合金大。d 鐵鎳鉻合金:靈敏系數(shù)較高，可達(dá) 3.6。但由于它的電阻溫度系數(shù)大（比康銅大 6 倍以上） ，同時 Ko值在彈性范圍和塑性范圍時不一樣（分別為 3.6 和 2.5） ，使其應(yīng)用范圍受到限制，它值適用于動態(tài)測量。結(jié)論結(jié)論：綜上所述，本課程設(shè)計采用的材料是康銅。幾何尺寸在能夠使得彈性元件的應(yīng)變得到充分響應(yīng)，即可選用。根據(jù)經(jīng)驗安全系數(shù)ns=2。因為所選的為塑性材料，則許用應(yīng)力 MPanss60021012006根據(jù) =E 得： 4116110

22、301000. 210600E因為756. 010301201 . 241RSRgS根據(jù)，且=2，=120，SSSSRRKSKSRSR所以有4105 .312120756. 0SSSSKRR所以 42105 .31S因為 ；所以應(yīng)取 進(jìn)行計算。 1 2 14100 .31傳感器受壓軸的截面面積為： 2441111016. 010311000. 210000mEFFA因為受力面積較小，故受壓軸使用圓筒(空心柱式)式結(jié)構(gòu)。傳感器的靈敏系數(shù)的確定（檢驗應(yīng)變片的靈敏度是否符合要求） 根據(jù)公式：)2(11EAKFS310其中： 為材料的泊松比；F 為傳感器的額定負(fù)荷；K 為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；E 為材料的

23、彈性模量；A1為彈性元件貼片部位的截面積。有HDA1得此傳感器的靈敏系數(shù)為： )2(11EAKFS698. 0101000. 2108 . 234/14. 32100000 . 2272. 01103114223）（因為 SSg 所以應(yīng)變片的靈敏度符合要求。 箔式應(yīng)變計的敏感柵是用厚度為毫米的銅鎳合金或鎳鉻合金的金屬箔，采用刻圖、制版、光刻及腐蝕等工藝過程而制成?；资窃诓牧硪幻嫱可蠘渲z，經(jīng)過加溫聚合而成，基底的厚度一般為。 圖應(yīng)變計的結(jié)構(gòu) 圖 敏感柵的尺寸4.3.34.3.3 基于彈性體結(jié)構(gòu)和測量要求選用應(yīng)變片的參數(shù)：基于彈性體結(jié)構(gòu)和測量要求選用應(yīng)變片的參數(shù)：型號敏感柵尺寸（寬長）mmm

24、m材料阻值靈敏度 K基底PB-53*5箔式120縮醛膠基表 4.1 PB-5 應(yīng)變片參數(shù)綜合上述分析計算，次課程設(shè)計選用 sf-6 柱式荷重傳感器 sf-6 柱式荷重傳感器實物圖表 5.1 sf-6 柱式荷重傳感器外形尺寸量程量程11223344H1H2SR4M2648543270542652648543270542651t3064644090703565t30646440907035610t4584885213010555820t4584885213010555825t5510410870150120601030t551041087015012060106 6 測量電路原理分析及設(shè)計測量電路

25、原理分析及設(shè)計應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)化成電阻的相對變化 R/R,還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測量儀表進(jìn)行測量。由于機械應(yīng)變一般均很小，從而電阻應(yīng)變式的電阻變化范圍也很小，直接測量出這一微小變化比較困難，所以一般利用橋式測量電路來精確測量出這些小的電阻變化。 電橋電路的原理是：如下圖的四臂電橋所示，因為應(yīng)變片電阻值變化很小，可以認(rèn)為電源供電電流為常數(shù)，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零。當(dāng)電橋平衡時，即電橋輸出電壓 V0為零的條件是：R1R3=R2R4。圖 2當(dāng)電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開

26、路。若電橋不平衡時，即 R1R3R2R4時，電橋輸出：URRRRRRRRU)(432142310恰好選擇各橋臂電阻，可消除電橋的恒定輸出，使輸出電壓只與應(yīng)變片輸出有關(guān)。單臂電橋時，令 R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4 為定值電阻，在應(yīng)變片 R1 工作時，其電阻 R1 變化R,此時電橋的靈敏度為：ku=U/4電壓輸出為:UO=(U/4)(R1/R1)電橋電路的非線性誤差為：L=R1/2R上面各式表明，當(dāng)電源電壓 U 及電阻相對值一定時，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻的大小無關(guān)。直流電橋的優(yōu)點是高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單，傳感器及測量電路分布參數(shù)影響小，測量中常用

27、直流電橋。為減少非線性誤差，電橋電路常用的措施為：采用差動電橋；采用恒流源電橋。為了提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補償，在橋臂中往往安置兩個應(yīng)變片，電橋也可采用四臂差動電橋，其輸出電壓為：UO=UR/R所以，本設(shè)計所選用的是全橋形式的差動電橋，且為提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補償，每個橋臂都安置兩個應(yīng)變片。此外，由于在零壓力時，傳感器大約有 2mV 的不平衡輸出，并且放大器有輸入失調(diào)電壓，因此，用組成的電橋電路進(jìn)行零位調(diào)整。通過改變電位器的值，可改變補償電壓的大小，以使得零壓力時 U0=0V，為了保證足夠的調(diào)整精度，電位器為多圈電位器。來自傳感器的信號通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓） 。一般采

28、用差動輸入集成運算放大器來抑制它，但是必須要求外接電阻完全平衡對稱，運算放大器才具有理想特性。否則，放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對稱精度有關(guān)，又與運算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運算放大器共模抑制比可達(dá) 80dB，而采用由幾個集成運算放大器組成的測量放大電路，共模抑制比可達(dá) 100120dB。結(jié)合以上幾點，采用了低漂移運算放大器構(gòu)成的三運放高共模抑制比放大電路。具體的電路如圖所示本電路主要分為三個部分，第一就是調(diào)理調(diào)幅電路，二就是電橋轉(zhuǎn)換電路，三就是增益放大電路，這里面還包括共模抑制電路。電阻應(yīng)變片的電阻 R1,R2,R3,R4 的電阻都為 350 歐。由這四個電阻組成一個

29、全橋放大電路。它由三個集成運算放大器組成，其中 N1，N2 為兩個性能一致（主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益）的同向輸入通用集成運算放大器，構(gòu)成平衡對稱（或稱同向并聯(lián)型）差動放大輸入級，N3 構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進(jìn)一步抑制 N1，N2 的共模信號，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。由輸入級電路可寫出流過 R6，R7 和 R14 都電流 IR為IR=(U02-Ui2)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14由此求得 U01 =（1R6/ R14）Ui1R6 Ui2/ R14 U02 =（1R7/ R14）Ui2R7Ui1/ R14于是，輸入級的輸入電壓，即運算放大器 N2

30、與 N1 輸出之差為U02U01 =1（R6R7）/ R14（Ui2-Ui1）其差模增益 Kd為 Kd（U02U01）/（Ui2-Ui1）1（R6R7）/ R14由上式可知，當(dāng) N1,N2 性能一致時，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而與共模輸出，失調(diào)及漂移均在 R14 兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部電阻匹配。但為了消除 N1，N2 片偏置電流等的影響，通常取 R6=R7.另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)R14 可以改變增益而不影響電路的對稱性。根據(jù)共模抑制比定義，可求得輸入級的共模抑制比為CMRR12=CMRR1CMRR2/CMRR1-CM

31、RR2式中的 CMRR1、CMRR2分別為 N1、N2 的共模抑制比。當(dāng) R10=R11、R12=R13時，運算放大器 N3 的差模增益為 Kd3R12/R10整個電路的共模抑制比為CMRR=(KdCMRR3 CMRR12)/( KdCMRR3+ CMRR12)式中 CMRR3運算放大器 N3 的共模抑制比為了獲得高的共模抑制比，必須選取集成運算放大器 N3 具有高的共模抑制比，同時精選外接電阻，盡量使 R10=R11、R12=R13精度應(yīng)控制在 0.1內(nèi)。而且通常將輸入級的增益 Kd 設(shè)計得大些，輸出級的增益 Kd3 設(shè)計得小些。這種電路由于 N1,N2 的隔離作用，輸出級的外部電阻可以取得

32、較小，有利于提高電阻的匹配精度，提高整個電路的共模抑制比 CMRR120dB，共模輸入電壓范圍為610V，總增益 110000（Rp 為幾十至幾百歐姆） 。如果在 N3 的兩輸入端之間接入共模補償電路，則可補償電阻的不對稱，獲得更高的共模抑制比。改變 R15 阻值可將共模增益調(diào)整到最佳點。它的原理是由運放 U1，U2 組成第一級差分式電路，U3 組成第二級差分式電路。在第一級電路中，V1，V2 分別加到 U1 和 U2 的同相端，R6,R7 和 R14 組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩運放 U1，U2 的兩輸入端形成虛短和虛斷,按照上面的分析，可以計算出：差模增益 Kd 為 14

33、761RRRKd運算放大器 U3 的差模增益：10123RRKd電路的放大增益為：)1 (147610123RRRRRKKAdd所以設(shè)計的放大電路的放大倍數(shù)為：，試驗中，這)1 (14761012RRRRRA個實驗可以調(diào)節(jié) R14,R15 同時改變，達(dá)到調(diào)節(jié)增益的目的。而且放大增益很大，有很寬的調(diào)節(jié)范圍。6.2.36.2.3 電路調(diào)零調(diào)幅電路電路調(diào)零調(diào)幅電路如圖所示，通過調(diào)節(jié) R5 可以調(diào)節(jié)電橋的供電電壓，并且可以在任何時候把電路調(diào)零，所以該電路稱為調(diào)零調(diào)幅電路。電路圖如下：此電路靈敏度很大。根據(jù)上述對運算放大電路分析，其輸入級的差模增益的，14761RRRKd。10123RRKd為使電橋放大

34、電路的輸出電壓范圍保證在 010V 之間，以便后接儀表或為A/D 轉(zhuǎn)換所用，則電橋放大電路的差模增益應(yīng)該為 KdKdKd3=180 左右。由于根據(jù)本設(shè)計的技術(shù)要求與性能指標(biāo)，可確定電橋放大電路各元件參數(shù)如下所示：R6()R7()R10()R12()R14()100K100K20K40K由上表計算可得出180)25. 21001001 (2040)1 (147610123KKKKKRRRRRKKAdd因此，當(dāng)電橋供電電壓 U=12V 時，電橋放大電路的輸出電壓范圍為：受拉時，UoAUid180（5.356853.568）mV0.9642249. 64224V其中，Uid 為電橋輸出電壓。理論計算

35、：當(dāng)壓力 F=100N 時，有：MPaPaPabhFl88.46104825. 2)102(1012105 . 7100339233323102232. 021088.46GPaMPaE15624. 0102232. 03500 . 23RKR4310464. 4102232. 02RRK電橋輸出：VUUm3568. 5V10464. 412RR40全橋運放輸出：VmVmVU964224. 0224.9643568. 5180UA全橋運放同理，當(dāng)壓力 F=1000N 時，有:, , Mpa8 .468310232. 25624. 1R, VUm568.53全橋VU64224. 9運放其它依次類推可以求得。下面是我的一個數(shù)據(jù)測量表：這個數(shù)據(jù)表在和前面不同的電橋供電電壓下測到的。被測壓力（N）應(yīng)變片的變化量)(R電橋輸出電壓理論值（mV）電橋輸出電壓實測值（mV）放大電路輸出理論值（V）放大電路輸出實測值（V）10002000300040005000600070008000900010000用用 MATLABMATLAB 實現(xiàn)