基于電阻應(yīng)變片的位移傳感器課程設(shè)計(jì)

1、1. 緒論1.1相關(guān)背景傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺 和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來(lái)。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感 元件、色敏元件和味敏元件等十大類。人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助

2、于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了

3、許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的 茫茫宇宙，微觀上要觀察小到fm的粒子世界，縱向上要觀察長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年的天體演化，短到秒的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對(duì)深化物質(zhì)認(rèn)識(shí)、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超 弱磁場(chǎng)等等。顯然，要獲取大量人類感官無(wú)法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)象信息的獲取存在困難， 而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查

4、、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國(guó)都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來(lái)，傳感器技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。1.2設(shè)計(jì)概述電阻應(yīng)變式傳感器（straingauge type transducer ）以電阻應(yīng)變計(jì)為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測(cè)量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到

5、所測(cè)量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形。電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。本次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是基于電阻應(yīng)變片的位移傳感器及其放大、整流、濾波電路的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的主要目的和意義：根據(jù)位移傳感器的測(cè)量量程以及測(cè)量精度，選取合適的電阻應(yīng)變片材料、阻值以及粘貼方式，根據(jù)其需要，接成半橋單臂、半橋雙臂或者是全橋的形式，由于傳感器輸出的電壓較小，而且存在著一定的干擾信號(hào)，需要經(jīng)放大電路放大至伏級(jí)電壓，并且經(jīng)過(guò)測(cè)控電路整流濾波之后，以便后接儀表或者是A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。主要技術(shù)指標(biāo)要求：測(cè)量量程0100mm大位移，誤差在1

6、%以內(nèi)應(yīng)用范圍：適用于0100mm位移的測(cè)量，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)中，常用在工業(yè)自動(dòng)化或者建筑橋梁方面。根據(jù)位移量的大小輸出大小不同的電信號(hào)，進(jìn)而判斷位移量的大小。2. 方法論證2.1電阻應(yīng)變片式位移傳感器工作原理及其特點(diǎn)工作原理：如圖2.1所示，傳感器總體由6部分構(gòu)成，分別是：1.測(cè)量頭2.彈性元件3.彈簧4.外殼5.測(cè)量桿6.調(diào)整螺母。 應(yīng)變式位移傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，彈性元件與彈簧采取串聯(lián)方式，然后通過(guò)應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變電橋，輸出正比于被測(cè)位移的電量。通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的阻值變化，進(jìn)而經(jīng)過(guò)測(cè)控電路處理得到要測(cè)量的位移量。圖2.1電阻應(yīng)變式位移傳感器結(jié)構(gòu) 彈性敏感

7、元件的作用是組成傳感器的主要敏感元件，要根據(jù)被測(cè)量的參數(shù)來(lái)選擇其具體的結(jié)構(gòu)形式，電阻應(yīng)變片的作用就是傳感器中的轉(zhuǎn)換元件，將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)化為電阻變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為具體的電量輸出。電阻應(yīng)變片有多種形式，常用的有絲式和箔式。它是由直徑為0.020.05mm的康銅絲或者鎳鉻絲繞成柵狀（或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀）夾在兩層絕緣薄片（基底）中制成，用鍍錫銅線與應(yīng)變片絲柵連接作為應(yīng)變片引線，用來(lái)連接測(cè)量導(dǎo)線。電阻應(yīng)變片的工作原理：金屬絲的電阻值除了與材料的性質(zhì)有關(guān)之外，還與金屬絲的長(zhǎng)度，橫截面積有關(guān)。將金屬絲粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，金屬絲的長(zhǎng)度和橫截面積也隨著構(gòu)件一起變化，進(jìn)而發(fā)生電阻變化

8、。dR/R=Ks*其中，Ks為材料的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變的電阻變化率，標(biāo)志著該類絲材電阻應(yīng)變片效應(yīng)顯著與否。為測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變，為無(wú)量綱的量，但習(xí)慣上仍給以單位微應(yīng)變，常用符號(hào)表示。由此可知，金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時(shí)，應(yīng)變與電阻變化率dR/R成線性關(guān)系，這就是利用金屬應(yīng)變片來(lái)測(cè)量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。2.2測(cè)量特點(diǎn)2.2.1電阻應(yīng)變式傳感器主要具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、精度高2、測(cè)量范圍廣壽命長(zhǎng)3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好4、能在惡劣條件下工作5、易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等2.2.2電阻應(yīng)變式傳感器同時(shí)具有以下缺點(diǎn)：對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號(hào)較弱，但可采取一定的后續(xù)補(bǔ)償措施。2.3彈

9、性元件的選擇 當(dāng)外界載荷作用于物體上時(shí)，其形狀和參數(shù)都將發(fā)生一定的變化，這一過(guò)程我們稱之為物體的變形。當(dāng)去掉外界載荷后，物體形變變?yōu)?，這種變形我們稱之為彈性變形。這種物體我們稱之為彈性元件。 在傳感器中，通常使用彈性元件直接感受被測(cè)量，作為測(cè)量過(guò)程的最前端。這樣的彈性元件，既充分利用彈性變形實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)理的元件就是彈性敏感元件。彈性元件是傳感器，儀器儀表的核心，在傳感技術(shù)中有著非常豐富的應(yīng)用。傳感器中常用的彈性元件主要有：梁，柱式，弦絲，平模片，波紋膜片，膜盒，殼體，彈簧管，波紋管等。在實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)不同彈性元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以利用其在外界載荷作用下的等效剛度，等效質(zhì)量或等效阻尼間接進(jìn)行

10、測(cè)量。本次課程設(shè)計(jì)中，我們主要討論采用梁式力傳感器，可以采用的方案有等強(qiáng)度梁，和等截面梁。本次課程設(shè)計(jì)我們采用如圖2.3所示的等強(qiáng)度梁。一端固定，一端自由，厚度為h，長(zhǎng)度為l，固定端寬度為b0，力F作用在延伸出部分頂點(diǎn)，其表面應(yīng)變?yōu)椋?6lFEb0h²圖2.3等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)圖2.4所示為等強(qiáng)度梁的應(yīng)變片粘貼方式，R1、R4同側(cè)，R2、R3同側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好大小相等，方向相反，可構(gòu)成全差動(dòng)電橋。圖2.4等強(qiáng)度梁的貼片方式我們需要選擇彈性元件材料，根據(jù)新編傳感器手冊(cè)中查詢及位移傳感器的使用特性和具體性能指標(biāo)，我們選取17-4PH不銹鋼作為彈性元件的制造材料，主要原因是17-4PH

11、不銹鋼具備我們需要的這些優(yōu)點(diǎn)：17-4PH合金是沉淀、淬火、馬氏體不銹鋼，具有較高的強(qiáng)度，硬度和抗腐蝕特性。經(jīng)過(guò)熱處理后，機(jī)械性能更為完善，可以達(dá)到高達(dá)1100-1300MPa的耐壓強(qiáng)度。正是因?yàn)榫邆湟陨蟽?yōu)點(diǎn)，所以選它作為應(yīng)變式拉/壓彈性元件材料。其泊松比為0.272 彈性模量為195 x 103MPa。屈服強(qiáng)度為620MPa。3. 相關(guān)理論分析計(jì)算及部件設(shè)計(jì)3.1彈性元件的尺寸設(shè)計(jì)我們選擇等強(qiáng)度梁作為彈性元件，梁表面的應(yīng)變?yōu)?6lFEb0h²，我們預(yù)先設(shè)定梁的厚度h=1.5mm，長(zhǎng)度l=4cm，材料為17-4PH不銹鋼，其屈服強(qiáng)度為620MPa，取安全系數(shù)為2.3，則其許用應(yīng)力b=

12、270MPa，許用切應(yīng)力為148.5MPa，彈簧取70號(hào)彈簧鋼，初始長(zhǎng)度為12cm，彈性系數(shù)K=300N/m，由于量程為0100mm，因此最大延伸量取L=12cm，即Fmax=30N。由于梁在最大載荷下梁的應(yīng)力不得超過(guò)材料的許用應(yīng)力b，由公式可以進(jìn)一步求得梁的寬度b0，b0=6Flh2b。代入數(shù)據(jù)可得，b01.2cm，取b0=2.5cm。等強(qiáng)度梁的頂端截面積最小寬度應(yīng)該由材料的允許切應(yīng)力來(lái)決定。b3F2h代入數(shù)據(jù)，可得，b0.202mm，取b=1.5mm。3.2應(yīng)變片的選擇查閱手冊(cè)，我們可以得到如表3.2所示的應(yīng)變片性能參數(shù)表金屬應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片厚膜應(yīng)變片應(yīng)變片厚度50300m15m525m電

13、阻值2503506002000102106應(yīng)變系數(shù)K24241020綜合精度0.1%0.5%0.1%0.5%0.3%0.5%功耗（10V）3010mA<10mA<2mA穩(wěn)定性差好好 表3.2應(yīng)變片性能參數(shù)表4. 根據(jù)位移式傳感器的使用特性和性能指標(biāo)，本設(shè)計(jì)使用金屬應(yīng)變片作為測(cè)量拉-壓應(yīng)力的應(yīng)變片。金屬應(yīng)變片又分為金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜式應(yīng)變片，本設(shè)計(jì)中我們選用金屬箔式應(yīng)變片。貼片膠我們選用1720膠。金屬箔式應(yīng)變片具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）.制作簡(jiǎn)單（2）.穩(wěn)定性能較好（3）價(jià)格較低（4）易于粘貼。應(yīng)變片型號(hào)為BH-AA系列箔式應(yīng)變片，為了提高靈敏度，常使用較高的供電電

14、壓，但是隨著電壓升高，應(yīng)變片的發(fā)熱量也會(huì)隨之上升。誤差也就隨之增大。應(yīng)選用較大的阻值，在這里，我們選用阻值R=350，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的常溫應(yīng)變片使用溫度為-3060, 一般康銅合金的最高使用溫度為 300，所以，敏感柵材料在這里我們選用康銅合金，其靈敏系數(shù)Ks=2，由于設(shè)計(jì)中我們采用的是等強(qiáng)度梁，等強(qiáng)度梁的應(yīng)變分布較為均勻，可以選用柵長(zhǎng)較大的應(yīng)變片，綜合以上分析，我們選擇BH350-2AA型箔式應(yīng)變片，敏感柵面積為2.0*2.4mm2標(biāo)稱電阻350，基底尺寸為6.0*3.6 mm2，基底材料要求機(jī)械強(qiáng)度高，粘貼容易，電絕緣性好，熱穩(wěn)定性好，抗潮濕性能好，撓性好（能夠粘貼在曲率半徑很小的曲面上）

15、，無(wú)滯后和蠕變。我們?cè)谶@里選擇膠基，環(huán)氧樹脂基底，用于位移傳感器的應(yīng)變片。3.3應(yīng)變參數(shù)校驗(yàn)結(jié)束應(yīng)變片尺寸選擇和彈性元件的材料、尺寸、形式的選擇之后，我們對(duì)所選擇的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。等強(qiáng)度梁的應(yīng)變公式為：=6lFEb0h² E：彈性元件彈性模量 l：彈性元件長(zhǎng)度彈簧作用力F=KL K：彈簧的彈性系數(shù) L：彈簧伸長(zhǎng)量F的范圍為0-30N，E=195 x 103MPa，b0=2.5cm，彈性元件應(yīng)變范圍為 =6lFEb0h²=0656m。656m<1000m，因此，彈性元件應(yīng)變范圍合格。彈性元件所承受的最大應(yīng)力為：b=6Flh2b0=6*30N*0.04m0.0015m*0.

16、0015m*0.025m=128MPa<270MPa。彈性元件承受的最大切應(yīng)力為3F2bh=3*30N2*0.0015m*0.0015m=20MPa<148.5MPa。校驗(yàn)結(jié)果表明，所選用的彈性元件各方面符合設(shè)計(jì)要求。3.4殼體及元件材料選擇懸臂梁材料要求彈性好，穩(wěn)定性好，我們這里選擇17-4PH彈簧鋼做懸臂梁彈簧采用70號(hào)彈簧鋼制彈簧，取K=300N/m,初始長(zhǎng)度為12cm，極限延展長(zhǎng)度為12cm測(cè)量頭要求性能穩(wěn)定，剛度和強(qiáng)度足夠高，經(jīng)濟(jì)性好，我們這里選用較為常見，價(jià)格較為低廉的304不銹鋼作為材料測(cè)量桿要求有較大剛度，避免出現(xiàn)受力彎曲現(xiàn)象，因此我們選用Mn合金鋼作為測(cè)量桿的材料

17、。外殼要求輕巧，價(jià)格便宜，不易腐蝕，易加工，因此我們選擇鋁合金作為外殼材料。4.測(cè)量電路原理以及設(shè)計(jì)4.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)由于我們采用了差動(dòng)全橋的設(shè)計(jì)，需要4V直流穩(wěn)壓電源給全橋供電，因此我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)4V直流穩(wěn)壓電源。電路設(shè)計(jì)如圖4.1所示 圖4.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖4.1.1直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路： 電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓； 降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大； 脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過(guò)濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份； 濾波后的直流

18、電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載4.1.2電路原理交流電網(wǎng)220V的電壓經(jīng)過(guò)變壓器降壓之后，通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓之后才可以送到負(fù)載，變壓器副邊電壓為 U2=2U1sint 1.1其中U2為有效值。變壓之后，利用單向?qū)щ娫O管，把50Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電。在U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止；U2的負(fù)半周內(nèi)，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過(guò)負(fù)載電阻RL，且方向是一致的。整流之后的電流中還含有較多的交流成分。通過(guò)濾波電路可濾除整流電路輸出電壓中的交流成分，使電壓波形變得平滑。常見的濾波電路有電

19、容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波等。 在整流電路的輸出端，即負(fù)載電阻RL兩端并聯(lián)一個(gè)電容量較大的電解電容C，則構(gòu)成了電容濾波電路。濾波之后的電流還是很不穩(wěn)定的，直流電壓Ui受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載電流變化的影響很難保證輸出電流電壓的穩(wěn)定。所以必須在濾波電路和負(fù)載一直加上穩(wěn)壓電路，才能保證輸出直流電壓的進(jìn)一步穩(wěn)定。電路中可以采用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，晶體管穩(wěn)壓電路。這里采用集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。由于設(shè)計(jì)要求連續(xù)可調(diào)，采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LM317。 輸出表達(dá)式為：UO=(1+R1R2)UREF 1.2其中，是集成穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的固有參考電壓。改變R2的值，Uo的值即可改變。當(dāng)R2短路時(shí)，Uo最小，