應(yīng)變式拉壓力傳感器及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)課程名稱傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)踐題目名稱應(yīng)變式拉/壓力傳感器及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)院信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)09計(jì)算機(jī)測(cè)控（1）班學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2012年6月廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)“傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)踐”之四

題目名稱應(yīng)變式拉/壓力傳感器及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)院信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)測(cè)控技術(shù)與儀器（計(jì)測(cè)0901班）姓名學(xué)號(hào)一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容通過(guò)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，掌握傳感器設(shè)計(jì)的一般過(guò)程與步驟。具體內(nèi)容包括：了解應(yīng)變式拉/壓力測(cè)量的一般方法；制定利用傳感器測(cè)量拉/壓力的方案；利用工程力學(xué)和傳感器知識(shí)進(jìn)行必要的理論分析與計(jì)算；利用CAD軟件進(jìn)行拉/壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與零件設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)傳感器轉(zhuǎn)換電路，并進(jìn)行電路調(diào)試或仿真。二、課程設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)1、本實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用以教學(xué)輔導(dǎo)、學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式。2、傳感器技術(shù)參數(shù)：測(cè)力范圍：5×103～1.2×105N；測(cè)量精度：±1%3、要求設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)字?jǐn)?shù)不少于5000字。三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1、了解拉/壓力測(cè)量的一般方法，制定利用傳感器測(cè)量拉/壓力的方案；2、進(jìn)行必要的理論分析與計(jì)算，確定傳感器基本尺寸；3、拉/壓力測(cè)量用傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(jì)和仿真調(diào)試；5、編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。四、課程設(shè)計(jì)進(jìn)程安排序號(hào)設(shè)計(jì)各階段內(nèi)容答疑地點(diǎn)起止日期1布置設(shè)計(jì)任務(wù)。學(xué)生查找相關(guān)資料教3-10162選定傳感器型式和結(jié)構(gòu)方案；進(jìn)行相關(guān)理論分析與計(jì)算；確定傳感器主要結(jié)構(gòu)尺寸工學(xué)1#-1076月5~7日3傳感器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配圖、零件圖的設(shè)計(jì)工學(xué)1#-1076月8~10日4根據(jù)所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路工學(xué)1#-1076月11日5傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試工學(xué)1#-1076月12~13日6傳感器制作工藝研究工學(xué)1#-1076月13日7撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)工學(xué)1#-1076月14日8分組答辯工學(xué)1#-1076五、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(cè)（M）．國(guó)防工業(yè)出版社，2002年2、強(qiáng)錫富．傳感器（第3版）（M）．機(jī)械工業(yè)出版社，2001年3、丁鎮(zhèn)生．傳感器及傳感技術(shù)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(shí)例（M）．人民郵電出版社，1998年5、陳爾紹．傳感器實(shí)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(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)（M）．電子科技大學(xué)出版社，1997年發(fā)出任務(wù)書(shū)日期：2012年6月4日計(jì)劃完成日期：2012主管院長(zhǎng)簽章：摘要：應(yīng)變式拉/壓力傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和質(zhì)量控制，稱重系統(tǒng)，閉環(huán)控制，紡織機(jī)械，檢測(cè)機(jī)械的閉環(huán)控制，質(zhì)量控制，自動(dòng)化機(jī)械，起重機(jī)，運(yùn)輸工具，鉆井工具，印刷機(jī)，金屬，橡膠，紙等機(jī)械上。為了進(jìn)一步改善電阻應(yīng)變式拉力傳感器各項(xiàng)的形狀尺寸與性能指標(biāo)，本課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究傳感器的工作原理，其中包括基本的理論分析、彈性元件的選材、彈性元件的尺寸設(shè)計(jì)、應(yīng)變的選材、應(yīng)變校驗(yàn)等。而課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：1、掌握和了解相關(guān)傳感器的基本測(cè)量方法和研究動(dòng)態(tài)；2、制定所測(cè)物理量的傳感器測(cè)量方案；3、利用工程力學(xué)和傳感器知識(shí)進(jìn)行必要的理論分析計(jì)算；4、利用CAD軟件進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)；5、對(duì)傳感器轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行必要計(jì)算，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)調(diào)試；6、對(duì)傳感器靜態(tài)特性標(biāo)定設(shè)備和方法進(jìn)行研究。因此，本課程設(shè)計(jì)的基本步驟為：第一，了解電阻應(yīng)變式拉力傳感器相關(guān)知識(shí)背景，闡述設(shè)計(jì)思想；第二，選定傳感器方案，確定電阻應(yīng)變式拉力傳感器的結(jié)構(gòu)；第三，進(jìn)行必要的理論分析與計(jì)算；第四，進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)；最后，在附錄上附帶了電阻應(yīng)變式拉力傳感器的裝配圖、零件圖以及傳感器信號(hào)放大電路的仿真電路圖。關(guān)鍵字：應(yīng)變式拉/壓力傳感器彈性元件應(yīng)變片轉(zhuǎn)換電路信號(hào)放大電路目錄TOC\o"1-2"\h\u136101.緒論 654141.1.相關(guān)背景 654191.2.設(shè)計(jì)概述 6208332.設(shè)計(jì)的目的和意義 7213462.1.設(shè)計(jì)目的 7100192.2.設(shè)計(jì)意義 8259853.測(cè)量原理及其特點(diǎn) 8268043.1.測(cè)量的原理 888693.2.測(cè)量特點(diǎn) 9283884.傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1035484.1.幾種傳感器的比較及選定 1041024.2.彈性元件材料的選定及要求 13281004.3.幾種應(yīng)變片的比較及選定 16254804.4.應(yīng)變片材料的選定及要求 17251384.5.聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19244544.6.殼體的設(shè)計(jì) 20286754.7.防塵的設(shè)計(jì) 2020025.相關(guān)理論分析計(jì)算和部件的設(shè)計(jì) 21318775.1.基本的理論分析 21251475.2.彈性元件的尺寸設(shè)計(jì) 22156445.3.應(yīng)變片的計(jì)算 23169295.4.應(yīng)變校驗(yàn) 2312896.繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD圖（見(jiàn)附錄一） 24198637.測(cè)控電路設(shè)計(jì)及計(jì)算 24272707.1.轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 24288347.2.電橋轉(zhuǎn)換電路 24178017.3.放大電路和共模抑制電路 25223527.4.手動(dòng)可調(diào)幅可調(diào)電路 26240548.電路的調(diào)試與仿真 2735248.1.電路的調(diào)試 2730798.2.用MATLAB實(shí)現(xiàn)的F—V特性圖 2875319.傳感器的標(biāo)定 292589510.相應(yīng)的電路原理框圖及電路圖 303095611.總結(jié) 30緒論相關(guān)背景人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官。而單靠人們自身的感覺(jué)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(kāi)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(méi)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cm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s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(kāi)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(méi)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(kāi)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(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、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(kāi)各種各樣的傳感器。由此可見(jiàn)，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。設(shè)計(jì)概述電阻應(yīng)變式拉力傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和質(zhì)量控制，稱重系統(tǒng)，閉環(huán)控制，紡織機(jī)械，檢測(cè)機(jī)械的閉環(huán)控制，質(zhì)量控制，自動(dòng)化機(jī)械，起重機(jī)，運(yùn)輸工具，鉆井工具，印刷機(jī)，金屬，橡膠，紙等機(jī)械上。既有一般應(yīng)用的產(chǎn)品，也有適合特別應(yīng)用的產(chǎn)品。產(chǎn)品有各種型號(hào)，既有超小的，也有柱狀的，能適合各種各樣的應(yīng)用。而本課題所研究的范圍為電阻應(yīng)變式拉力傳感器的轉(zhuǎn)換放大電路。其目的和意義在于：根據(jù)力傳感器的測(cè)力范圍和稱量精度，合理選擇電阻應(yīng)變片材料、阻值和粘貼方式，并根據(jù)需要將之接成半橋單臂、半橋雙臂或全橋形式，由于電橋輸出電壓較小，需經(jīng)測(cè)量放大器放大至伏繼級(jí)電壓，以便后接儀表或?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換所用。其主要的技術(shù)指標(biāo)為測(cè)力范圍5×103～2.1×105N，稱量精度：±1％。本設(shè)計(jì)采用了圓筒式彈性元件，穩(wěn)定性好，輸出信號(hào)大，靈敏度高，精度高等特點(diǎn)。應(yīng)變片采用了箔式應(yīng)變片，轉(zhuǎn)換電路為高輸出精度的全橋電路，采用三級(jí)放大電路，利用補(bǔ)償電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。所包含的內(nèi)容有：1）掌握和了解相關(guān)傳感器的基本測(cè)量方法和研究動(dòng)態(tài)；2）制定所測(cè)物理量的傳感器測(cè)量方案；3）利用工程力學(xué)和傳感器知識(shí)進(jìn)行必要的理論分析計(jì)算；4）利用CAD軟件進(jìn)行傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)；5）對(duì)傳感器轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行必要計(jì)算，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)調(diào)試；6）對(duì)傳感器靜態(tài)特性標(biāo)定設(shè)備和方法進(jìn)行研究。所包含的知識(shí)點(diǎn)有：傳感器原理、傳感器類型與結(jié)構(gòu)，傳感器技術(shù)參數(shù)，影響技術(shù)參數(shù)的因素及設(shè)計(jì)中的考慮，傳感器敏感元件選擇與計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換、放大電路，電路調(diào)試軟件及步驟，電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，傳感器的標(biāo)定方法等。設(shè)計(jì)的目的和意義設(shè)計(jì)目的通過(guò)本設(shè)計(jì)與實(shí)踐，要求學(xué)生利用所學(xué)的基礎(chǔ)理論，從設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)表達(dá)、實(shí)際電路調(diào)試等方面，全面掌握相關(guān)傳感器的設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)。培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力，包括動(dòng)手能力，獨(dú)立思考能力，以及分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)意義本課程是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是引導(dǎo)學(xué)生把基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的一個(gè)必不可少的中間環(huán)節(jié)。測(cè)量原理及其特點(diǎn)測(cè)量的原理測(cè)量基本原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，亦即利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)（即應(yīng)變片的電阻隨其本身的形變而發(fā)生變化），將測(cè)量物體變形轉(zhuǎn)換成電阻變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。引起的阻值變化△R，伸長(zhǎng)量△，電阻率變化量△ρ，橫截面積的相應(yīng)減小量△S；則有：（3-1）式中，為長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)變量，用應(yīng)變?chǔ)疟硎?，即?-2）為圓形電阻絲橫截面的相對(duì)變化量，即（3-3）由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為（3-4）式中，為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。將式（3-2）～式（3-3）代入式（3-1），可得（3-5）或（3-6）通常把由單位應(yīng)變引起電阻值的相對(duì)變化量稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)。其表達(dá)式為（3-7）電阻絲的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素決定：一個(gè)是受力后材料幾何尺寸的變化，即；另一個(gè)是受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即。對(duì)金屬材料電阻絲來(lái)說(shuō)，靈敏度系數(shù)表達(dá)式中的值要比大得多，而半導(dǎo)體材料的項(xiàng)的值要比大得多。大量實(shí)驗(yàn)證明，在金屬電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。根據(jù)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)被測(cè)試件受到外力作用產(chǎn)生微小機(jī)械應(yīng)變式，應(yīng)變片會(huì)發(fā)生相同的變化，引起應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化。試件所受外力F與應(yīng)變的關(guān)系為（3-8）式中，F(xiàn)——試件所受外力；S——試件橫截面積；——試件的應(yīng)變；E——試件材料的彈性模量。由此可知，試件所受外力F正比于電阻應(yīng)變片應(yīng)變量，而正比于電阻的相對(duì)變化，這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。測(cè)量特點(diǎn)電阻應(yīng)變式傳感器是電阻應(yīng)變片為傳感元件的傳感器，由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片組成。將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件在被測(cè)量作用時(shí)其表面會(huì)出現(xiàn)變形，致使其表面所附的電阻應(yīng)變片的電阻值隨之產(chǎn)生應(yīng)變，與之相應(yīng)的測(cè)量電路可組成測(cè)量位移，拉力，壓力，加速度，扭矩，溫度等多種測(cè)試系統(tǒng)。目前已廣泛應(yīng)用于冶金，電力，交通，外貿(mào)，國(guó)防等部門，它之所以成為如此受寵主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）精度高，測(cè)量范圍廣，適合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量；（2）使用壽命長(zhǎng)，性能可靠穩(wěn)定；（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小。傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾種傳感器的比較及選定應(yīng)變式測(cè)力傳感器一般由彈性體、應(yīng)變計(jì)和外殼組成。應(yīng)變式傳感器技術(shù)成熟，能很好應(yīng)用在大負(fù)載的測(cè)量中。只要把應(yīng)變片貼在承受負(fù)載的彈性元件上，通過(guò)測(cè)量彈性元件的應(yīng)變大小即可求出對(duì)應(yīng)的負(fù)載大小。彈性體是測(cè)力傳感器的基礎(chǔ)，應(yīng)變計(jì)是傳感器的核心。根據(jù)彈性體的結(jié)構(gòu)形式的不同分為：柱式，輪輻式，梁式，環(huán)式等。柱式傳感器柱式傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力均勻的中間部分，并均勻?qū)ΨQ布置。因?yàn)閺椥栽母叨葘?duì)傳感器的精度和動(dòng)態(tài)特性有影響，所以對(duì)實(shí)心圓柱，一般取H≥2D+L，而空心圓柱一般取H≥D-d+L，式中H為圓柱體高度，D為圓柱外徑，d為空心圓柱內(nèi)徑，L為應(yīng)變片基長(zhǎng)。貼片在圓柱面上的展開(kāi)位置及其在橋路中的連接，其特點(diǎn)是R1、R3串聯(lián)，R2、R4串聯(lián)并置于相對(duì)位置的臂上，以減少?gòu)澗氐挠绊?。橫向貼片作溫度補(bǔ)償用。柱式力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以測(cè)量大的拉壓力，最大可達(dá)107N。它有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、重量輕、堅(jiān)固耐用；（2）彈性體的幾何形狀簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)計(jì)算、機(jī)械加工、表面處理都極簡(jiǎn)單；（3）傳感器剛性好，固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，有利于動(dòng)態(tài)測(cè)量；（4）對(duì)振動(dòng)不敏感，一般使用溫度下允許3g的振動(dòng)，抗過(guò)載能力和抗沖擊能力均優(yōu)于其它任何結(jié)構(gòu)的傳感器；（5）柱式傳感器的計(jì)量軸線與負(fù)荷方向重合，不存在固定支架邊界條件對(duì)它的影響和約束，所以柱式傳感器的重復(fù)性誤差、滯后誤差比其它任何結(jié)構(gòu)的傳感器要小得多。圖4—１圓柱式力傳感器圖4—2圓柱面展開(kāi)及電橋a)圓柱面展開(kāi)圖b)橋路連接圖梁式傳感器梁式力傳感器有多種形式，如下圖所示。圖a為等強(qiáng)度梁，力F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，表面上的應(yīng)變也相等，故對(duì)在f方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。圖b為等截面梁，其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高。適合于測(cè)5000N以下的載荷，也可以測(cè)量小的壓力。但是因表面沿Z方向各點(diǎn)的力分布不等，對(duì)四個(gè)(或兩個(gè))貼片的位置要對(duì)稱。圖c為雙孔梁，多用于小量程，如工業(yè)電子秤和商業(yè)電子秤。圖d為“S”形彈性元件，適用于較小載荷。圖4-3梁式力傳感器輪輻式傳感器外加載荷作用在輪的頂部和輪圈底部，輪輻上受到純剪切力。每條輪輻上的剪切力和外加力F成正比。當(dāng)外加力作用點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，一面的剪切力減小，一面增加，其絕對(duì)值之和仍然是不變的常數(shù)。應(yīng)變片(8片)的貼法和連接電橋如圖b所示。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、滯后小，重復(fù)性及線性度好圖4-4輪輻式傳感器環(huán)式傳感器環(huán)式傳感器常用于測(cè)幾十千克以上的大載荷，與柱式相比，它的特點(diǎn)是應(yīng)力分布變化大，且有正有負(fù)，便于接成差動(dòng)電橋。傳感器類型的選定表4—1四種彈性元件的比較類型負(fù)載能力精度線性度工藝性體積柱式大較高較好簡(jiǎn)單大輪輻式大高好較復(fù)雜較小梁式小高較好簡(jiǎn)單小環(huán)式較大高好較復(fù)雜小根據(jù)題目的參數(shù)要求和器件的應(yīng)用性、加工性、實(shí)際情況以及各傳感器的優(yōu)點(diǎn)等各個(gè)方面考慮本設(shè)計(jì)選擇柱式傳感器作為測(cè)量元件。柱式傳感器能夠承受較大的負(fù)載，并且其精度也較高，還具有易安裝，易維修等特點(diǎn)。圓柱式力傳感器的彈性元件分實(shí)心和空心兩種，如下圖所示。圖4—5柱式力傳感器FF面積A+ε0－με。－με。+ε0截面積AF(a)實(shí)心圓柱(b)空心圓柱F實(shí)心圓柱可以承受較大的負(fù)荷，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，即（4-1）式中，F(xiàn)——作用在彈性元件上的集中力；S——圓柱的橫截面積。圓柱的直徑要根據(jù)材料的允許應(yīng)力以來(lái)計(jì)算，由于(4-2)而(4-3)式中，d為實(shí)心圓柱直徑。則（4-4）由上列各式知，若想提高變換靈敏度。必須減小橫截面積S。但S減小其抗彎能力也減弱，對(duì)橫向干擾力敏感。為了解決這個(gè)矛盾，在小集中力測(cè)量時(shí)多采用空心圓筒或采用承彎膜片，空心圓筒在同樣橫截面情況下，橫向剛度大，橫向穩(wěn)定性好。同理，承彎膜片的橫向剛度也大，橫向力都由它承擔(dān)，而其縱向剛度小?？招膱A柱彈性元件的直徑也要根據(jù)允許應(yīng)力計(jì)算。由于（4-5）所以（4-6）式中，D——空心圓柱外徑；d——空心圓柱內(nèi)徑。彈性元件的高度對(duì)傳感器的精度和動(dòng)態(tài)特性都有影響。由材料力學(xué)可知，高度對(duì)沿其橫截面的變形有影響。當(dāng)高度與直徑的比值H/D〉〉1時(shí)，沿其中間斷面上的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)與其端面上作用的載荷性質(zhì)和接觸條件無(wú)關(guān)。試驗(yàn)研究的結(jié)果建議采用下式（4-7）式中，L為應(yīng)變片的基長(zhǎng)。對(duì)于空心的圓柱為（4-8）比較分析選取空心圓柱作為彈性體。彈性元件材料的選定及要求當(dāng)外界載荷（力、力矩或壓力）作用于物體上時(shí)，其形狀和參數(shù)將發(fā)生變化。這一過(guò)程稱為物體的變形。當(dāng)去掉外界載荷后，物體變形為零，這種變形稱為彈性變形，這種物體稱為彈性元件或彈性體。彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有極為重要的地位。在傳感器工作過(guò)程中，一般是由彈性敏感元件首先把各種形式的非電物理量變換成應(yīng)變量或位移量等，然后配合各種形式的轉(zhuǎn)換元件，把非電量轉(zhuǎn)換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應(yīng)用最廣泛的元件。彈性元件材料的要求在設(shè)計(jì)傳感器以前，首先應(yīng)選擇好彈性元件材料。對(duì)彈性元件材料提出以下要求：（1）強(qiáng)度高，彈性極限高；（2）具有高的沖擊韌性和疲勞極限；（3）彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定；（4）熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；（5）熱膨脹系數(shù)??；（6）具有良好的機(jī)械加工和熱處理性能；（7）具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；（8）彈性滯后應(yīng)盡量小。彈性元件材料的選定參照新編傳感技術(shù)手冊(cè)可得下表：表4—2傳感材料參數(shù)材料鈹青銅QBe217－4PH不銹鋼恒彈性合金3J53密度g×cm-38.257.808.0屈服極限MPa103018501250彈性模量MPa134×103195×103G=70×103線膨脹系數(shù)at/×10-6℃17.610.87.5－8.1泊松比0.320.2720.30機(jī)械品質(zhì)因數(shù)--≥1000彈性模量溫度系數(shù)35×10-5/℃--根據(jù)應(yīng)變式拉/壓傳感器的使用特性和性能指標(biāo)，本設(shè)計(jì)使用17－4PH不銹鋼作為彈性元件的制造材料，主要原因是17－4PH不銹鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：17-4PH合金是沉淀、淬水、馬氏體的不銹鋼，和這個(gè)等級(jí)具有高強(qiáng)度、硬度（高達(dá)300℃/500℃）和抗腐蝕等特性。經(jīng)過(guò)熱處理后，產(chǎn)品的機(jī)械性能更加完善，可以達(dá)到高達(dá)1100-1300MPa(160-190KSI)的耐壓強(qiáng)度。這個(gè)等級(jí)不能用于高于300℃（572F彈性元件材料的處理為確保傳感器的精度和性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，消除彈性元件在機(jī)械加工和熱處理中產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，是十分重要的。消除彈性元件殘余應(yīng)力的方法有：1、時(shí)效最有效的方法是長(zhǎng)期自然時(shí)效，也可采用加溫存放的人工實(shí)效方法，以加速穩(wěn)定的過(guò)程。2、退火由于退火溫度較高，保溫時(shí)間較長(zhǎng)，效果比較明顯。3、反復(fù)加載和機(jī)械振動(dòng)采用反復(fù)加載和機(jī)械振動(dòng)的方法，有利于內(nèi)應(yīng)力的加速釋放。特別是在應(yīng)變式傳感器中，在鐵片后進(jìn)行的疲勞加載，有利于改善產(chǎn)肝氣的性能。在需要考慮應(yīng)變計(jì)的壽命式，可以在貼片前適當(dāng)增加疲勞次數(shù)，而貼片后適當(dāng)減少次數(shù)。4、冷處理一般方法是在淬火、第一次回火后，冷到60℃時(shí)就放入低溫中進(jìn)行保溫處理。一般彈性元件材料的淬火溫度約為850℃（冷油）、回火溫度在400~彈性元件銜接部件的整體圖圖4—6彈性元件銜接部件的整體圖幾種應(yīng)變片的比較及選定箔式應(yīng)變片箔式電阻應(yīng)變片是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)制成的。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過(guò)光刻技術(shù)、腐蝕等工序制成的一種很薄金屬箔柵。其厚度一般在0.003～0.01mm，其優(yōu)點(diǎn)是散熱條件好，允許通過(guò)的電流大，可制成各種所需的形狀，便于批量生產(chǎn)。電阻絲式應(yīng)變片電阻絲式應(yīng)變片工作原理和箔式應(yīng)變片相同，其敏感元件是絲柵狀的金屬絲，從它的基片材質(zhì)又可以分為紙基的、紙浸膠基的和膠基的等。紙基應(yīng)變片，制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，易于粘貼，但耐熱性和耐潮濕性不好。一般多在短期的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中使用，在其他惡劣環(huán)境中使用，要采取有效的防護(hù)措施。使用溫度一般在70℃以下。如用酚醛樹(shù)脂、聚脂樹(shù)脂等膠液將紙進(jìn)行滲透、硬化等處理后，可使紙基應(yīng)變片的特性得到改善，使用溫度可提高到180℃半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)高，在應(yīng)變片的應(yīng)用上提供了很大方便。另外如機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小以及它本身的體積小等特點(diǎn)，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的適用范圍。半導(dǎo)體應(yīng)變片的缺點(diǎn)主要是：（1）溫度穩(wěn)定性能差，靈敏系數(shù)和線性度隨溫度變化影響較大；（2）在大應(yīng)變片作用下，靈敏系數(shù)的非線性誤差較大。在工程測(cè)試中是否選用半導(dǎo)體應(yīng)變片，要綜合考慮測(cè)量?jī)?nèi)容、精度要求，試驗(yàn)環(huán)境等因素，并結(jié)合半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)而定。應(yīng)變片類型的選定箔式應(yīng)變片相對(duì)于電阻絲式應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：（1）金屬箔柵很薄，因而它所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更為接近；（2）當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時(shí)，箔材與粘接層的接觸面積要比絲材為大，使它能更好的和試件共同工作。（3）箔柵的端部較寬，橫向效應(yīng)相應(yīng)的較少，因而提高了應(yīng)變測(cè)量的精度。箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過(guò)較大的電流，因而可以輸出較強(qiáng)的信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。。箔式應(yīng)變片的缺點(diǎn)是，生產(chǎn)工序較為復(fù)雜。引出線的焊點(diǎn)采用錫焊，不適用于高溫環(huán)境下測(cè)量，另外價(jià)格較貴。綜合以上箔式應(yīng)變片優(yōu)良的性能，所以本方案選用箔式應(yīng)變片，以保證較高的測(cè)量精度，測(cè)量靈敏度及較高的性價(jià)比。應(yīng)變片材料的選定及要求應(yīng)變片材料的選定制作應(yīng)變片敏感柵常用的材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、貴重金屬（鉑、鉑鎢合金等）。材料性能列于下表：表4—3制作應(yīng)變片常用的合金材料材料名稱化學(xué)成分%電阻率電阻溫度系數(shù)/靈敏系數(shù)最高使用溫度/℃特點(diǎn)康銅Cu55,Ni450.45~0.52±202.0300~350最常用，尤適用長(zhǎng)時(shí)間、大應(yīng)變測(cè)量鎳鉻合金Ni80,Cr201.0~1.1110~1302.1~2.3靜態(tài)450動(dòng)態(tài)800多用于動(dòng)態(tài)測(cè)量卡瑪合金6J22Ni75,Cr20,Al3,Fe31.24~1.42±202.4~2.6靜態(tài)300~400用作中高溫應(yīng)變片伊文合金6J23Ni75,Cr20,Al3,Fe21.24~1.42±202.4~2.6靜態(tài)300~400鐵鉻鋁合金Fe余量Cr26Al5.41.3~1.5±30~402.6靜態(tài)500~800動(dòng)態(tài)800~1000用作高溫應(yīng)變片鉑鎢合金Pt90.5~91.5W8.5~9.50.74~0.76139~1923．0~3.2靜態(tài)800動(dòng)態(tài)1000鉑Pt0.09~0.1139004．6靜態(tài)800動(dòng)態(tài)1000鉑銥合金Pt80Ir200.35904．0靜態(tài)800動(dòng)態(tài)1000基于上述材料性能的比較分析，選用康銅作為應(yīng)變片材料。應(yīng)變片敏感柵材料的要求應(yīng)變計(jì)敏感柵合金材料的選擇對(duì)制作應(yīng)變計(jì)性能的好壞起著決定性的作用，因此對(duì)制作應(yīng)變計(jì)所用的應(yīng)變電阻合金有以下的要求：（1）有較高的靈敏系數(shù)；（2）電阻率高；（3）電阻溫度系數(shù)小，具有足夠的熱穩(wěn)定性；（4）機(jī)械強(qiáng)度高，壓碾或拉伸性能好，高溫時(shí)耐氧化性能要好，耐腐蝕性能強(qiáng)；（5）與其它金屬接觸的熱電勢(shì)??；（6）與引出線焊接容易。應(yīng)變片基底材料的要求基底（包括覆蓋層）的作用時(shí)固定和保護(hù)應(yīng)變計(jì)敏感柵，使敏感柵保持一定的幾何形狀，并保證線柵與被測(cè)試件絕緣，它是應(yīng)變計(jì)的重要組成部分。應(yīng)變計(jì)的基底通常是紙或膠膜制成。1、應(yīng)變計(jì)基底材料的要求：（1）機(jī)械強(qiáng)度好；（2）粘貼容易；（3）電阻絕緣性能好；（4）熱穩(wěn)定性能好；（5）抗潮濕性能好；（6）撓性好（應(yīng)變計(jì)易于貼在曲面上）；（7）滯后和蠕變小。2、選擇基底材料對(duì)于一般應(yīng)力分析采用紙基應(yīng)變片；對(duì)于傳感器多采用膠基應(yīng)變計(jì)；對(duì)于高溫應(yīng)變測(cè)量可采用金屬薄片為基底的應(yīng)變片。本設(shè)計(jì)屬于一般的應(yīng)力分析，采用紙基應(yīng)變片。紙基應(yīng)變片的覆蓋層一般采用與基底相同的材料。表4—4基底材料的耐溫范圍基底材料下限上限（長(zhǎng)期工作）上限（短時(shí)工作）紙-2070100引線及黏貼劑的要求1.引線材料的要求康銅絲敏感柵應(yīng)變片，引線采用直徑為0.1~0.18mm的銀銅絲，采用點(diǎn)焊。2.粘貼劑的要求粘貼劑的主要功能是要在軸向準(zhǔn)確的傳遞試件的應(yīng)變，因此，它應(yīng)具備：（1）與試件表面有很強(qiáng)的粘貼強(qiáng)度；（2）彈性模量大、蠕變小、滯后小，溫度和力學(xué)性能參數(shù)要盡量與試件相匹配；（3）抗腐蝕、涂刷性好，固化工藝簡(jiǎn)單，變形小，使用簡(jiǎn)單，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存；（4）電絕緣性能、耐老化與耐溫耐濕性能均要良好。粘貼應(yīng)變片的膠粘劑一般都采用熱固性型膠粘劑如聚酰亞胺、改性的環(huán)氧-酚醛膠。這類膠粘劑貼片后，經(jīng)加壓回?zé)峁袒昂蠊袒幚砗?，膠層具有很高粘結(jié)強(qiáng)度，電絕緣性能好，因而傳感器的蠕變、滯后及零漂小，傳感器的穩(wěn)定性也好。聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)聯(lián)接的要求：機(jī)械上是堅(jiān)固的，不怕振動(dòng)。避免熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響。電氣上芯片與環(huán)境或大地是絕緣的，或芯片與大地是電連接的。氣密且耐水壓力的。根據(jù)連接的要求，傳感器底座與支承面的固定：根據(jù)《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》GB196-81，傳感器底座的固定螺孔選用螺紋的直徑D=2mm。上蓋與外殼選用螺紋連接：根據(jù)工作要求，選用螺距P=1mm的螺紋。接線柱出口聯(lián)接圓柱與外殼選用螺紋連接：根據(jù)《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》GB67-85，選用M2螺釘，螺釘工作長(zhǎng)度為3—25mm，選9.6mm。殼體的設(shè)計(jì)外殼與底座的選材：根據(jù)要求，外殼和底座需要有一定的剛度和強(qiáng)度，這里采用聯(lián)體設(shè)計(jì)，選用不銹鋼作為材料；上蓋的選材：根據(jù)要求，上蓋需要有一定的剛度和強(qiáng)度，因此選用不銹鋼作為上蓋的材料；受壓頭的選材：根據(jù)要求，受壓頭要有較大的剛度和強(qiáng)度，因此選用合金鋼作為受壓元件的材料；外殼的長(zhǎng)為106mm,寬為90mm,高為124mm。防塵的設(shè)計(jì)為了防止傳感器內(nèi)部器件（如應(yīng)變片，受壓軸等）受到塵埃，空氣或其它液體（如油液）的腐蝕，要進(jìn)行一定的防塵措施。因此在受壓軸上的受壓頭的軸肩處使用墊圈進(jìn)行油封防塵；在外殼的上邊緣處使用尼龍墊圈進(jìn)行密封。具體尺寸如下：根據(jù)《機(jī)械課程設(shè)計(jì)》表16-9可知：墊圈選用尺寸為：內(nèi)徑d=2mm；外徑D=6mm；墊圈厚b=1.06mm的零件。相關(guān)理論分析計(jì)算和部件的設(shè)計(jì)基本的理論分析由靜力學(xué)關(guān)系知，拉壓彈性元件橫截面上的正應(yīng)力σ應(yīng)合成為軸力N，而σ又處處相等，所以有即式中，A為元件橫截面的面積。顯然，正應(yīng)力與軸力N成正比，與橫截面面積A成反比。上式使用于任意形狀的等截面拉壓元件。軸向拉伸時(shí)，橫截面上的應(yīng)力為拉應(yīng)力；軸向壓縮時(shí)，橫截面上的應(yīng)力為壓應(yīng)力。根據(jù)材料機(jī)械性質(zhì)可知，脆性材料軸向拉伸或壓縮時(shí)，若其橫截面上的正應(yīng)力（也是各截面上的最大應(yīng)力）達(dá)到強(qiáng)度極限，則在很小的變形下發(fā)生斷裂破壞；塑性材料軸向拉伸或壓縮時(shí)，若其橫截面上的正應(yīng)力（同樣也是其各截面上的最大應(yīng)力）達(dá)到屈服極限，雖然未發(fā)生斷裂，但已出現(xiàn)塑性變形，不能保持原有的形狀和尺寸，故不能正常工作，工程上也認(rèn)為其已破壞。脆性材料的強(qiáng)度極限和塑性材料的屈服極限是構(gòu)件正常工作的極限應(yīng)力，如要保證構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度而正常工作，顯然工作是的最大工作應(yīng)力應(yīng)低于上述的極限應(yīng)力，工程上通常將極限應(yīng)力除以大于1的系數(shù)n，將所得結(jié)果稱為許用應(yīng)力，用[σ]表示。即對(duì)塑性材料對(duì)脆性材料上式中，大于1的和稱為安全系數(shù)，它是一個(gè)無(wú)量綱的量。許用應(yīng)力和安全系數(shù)的數(shù)值，可在有關(guān)業(yè)務(wù)部門的一些規(guī)范中查到。目前一般機(jī)械制造中，在靜載的情況下，對(duì)塑性材料可取1.5～2.0。脆性材料均勻性較差，且斷裂突然發(fā)生，有更大的危險(xiǎn)性，所以取＝2～3.5，甚至取3～9。許用應(yīng)力是構(gòu)件正常工作時(shí)應(yīng)力的極限值，即要求工作應(yīng)力σ不超過(guò)許用應(yīng)力[σ]，這就是構(gòu)件軸向拉伸或壓縮時(shí)的強(qiáng)度條件：σ＝N/A≤[σ]一般而言，式中N應(yīng)是構(gòu)件內(nèi)軸力的最大值，A為元件的橫截面面積，對(duì)變截面桿，應(yīng)考慮N與A的比值，其最大值作為上式中的。彈性元件的尺寸設(shè)計(jì)彈性元件采用空心圓柱式，彈性元件的屈服極限為σs＝1850MPa，取安全系數(shù)n＝3.7。則可求彈性元件的許用應(yīng)力。彈性元件的截面面積：為使彈性元件的軸向應(yīng)變適合要求而不產(chǎn)生塑性變形，避免彈性元件因過(guò)載而損壞，彈性元件的截面面積A應(yīng)適當(dāng)取大一些,則取A＝240mm2選擇D與d時(shí)，要考慮到構(gòu)件的穩(wěn)定性及加工條件，原因圓筒式的壁不能太薄。兩端的剛度要足夠。當(dāng)安裝、緊固傳感器時(shí)，不應(yīng)使中段產(chǎn)生腰鼓變形。過(guò)渡部分的圓弧半徑不可太小，以避免造成應(yīng)力集中而影響的疲勞壽命。為使貼片部分應(yīng)力分布均勻，長(zhǎng)度L不可太短，圓柱式一般為L(zhǎng)=(2～2.5)D,而圓筒式則可適當(dāng)短一些。選取空心圓柱的內(nèi)徑為d＝24mm為使理論計(jì)算和分析以及制造方便，取D＝31這樣圓筒的壁厚t＝（D－d）/2＝3圓筒的實(shí)際橫截面積S=π（D2-d2）/4=302.23mm根據(jù)上述討論，可得圓柱彈性元件的高度：取h≥D-d+L=31-24+8=15mm為了防止彈性元件受壓時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，減小端面上接觸摩擦和載荷偏心對(duì)變形的影響，一般應(yīng)該使H/D>3,但是H太大，彈性元件固有頻率低，橫向穩(wěn)定性變差，故使H=55mm。應(yīng)變片的計(jì)算金屬絲式應(yīng)變片的敏感柵材料直徑范圍為0.01～0.05mm。其基底很薄，一般在0.03mm左右。能保證有效地傳遞變形。引線多用直徑為0.15～0.3mm的鍍錫銅線與敏感柵相連。應(yīng)變片具體型號(hào)為BA-AA系列應(yīng)變片，其特性如下表所示：表5—1應(yīng)變片參數(shù)標(biāo)稱電阻柵長(zhǎng)寬結(jié)構(gòu)形式靈敏系數(shù)最大工作電流工作溫度60～3000Ω0.6～50mm1～8mm——2.00～2.1225mA-30-150應(yīng)變校驗(yàn)在進(jìn)行彈性元件和應(yīng)變片的選材及尺寸選擇與計(jì)算后，開(kāi)始對(duì)所選的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。由公式式中，F(xiàn)——工作作用力；[σ]——許用應(yīng)力；S——彈性元件的截面面積；E——彈性元件材料的彈性模量，195Gpa已知F=(5000～120000N)，S=302.23mm2σ=(16.54～397.05MPa)≤[σ]=500MPa代入數(shù)據(jù)后可得，彈性元件的應(yīng)變范圍為ε＝（84.82～2036.15με）?；痉显?000με～3000με范圍內(nèi)的應(yīng)變極限。故上述對(duì)彈性元件和應(yīng)變片的選材及尺寸計(jì)算所獲得的參數(shù)基本符合應(yīng)變式拉/壓力傳感器的使用要求和性能指標(biāo)。由于壁很薄，還必須檢驗(yàn)是否會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)。薄壁管的失穩(wěn)臨界應(yīng)力公式為其中，E=195GPa，t=3.5mm，d=24mm，D=31mm求得，41365.65MPa在超過(guò)滿量程150％情況下，彈性元件截面中的應(yīng)力為σ＝1.5F/S＝1.5×1.2×105/[(302.23×10-6)]Pa＝595.57×106Pa＝595.57MPa因此，受力超過(guò)滿量程150％時(shí)的應(yīng)力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的比例極限和臨界應(yīng)力，這表明該彈性元件不會(huì)出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。繪制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD圖（見(jiàn)附錄一）測(cè)控電路設(shè)計(jì)及計(jì)算轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)來(lái)自傳感器的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓）。一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來(lái)抑制它，但是必須要求外接電阻完全平衡對(duì)稱，運(yùn)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(duì)稱精度有關(guān)，又與運(yùn)算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá)80dB，而采用由幾個(gè)集成運(yùn)算放大器組成的測(cè)量放大電路，共模抑制比可達(dá)100～120dB。結(jié)合以上幾點(diǎn)，采用了低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成的三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。本電路主要分為三個(gè)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。電橋轉(zhuǎn)換電路為了提高電橋靈敏度和進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在橋臂中往往安置兩個(gè)應(yīng)變片，電橋采用四臂差動(dòng)電橋，四個(gè)橋臂均為應(yīng)變片，相鄰兩應(yīng)變片阻值變化方向相反。電阻應(yīng)變片的電阻R1,R2,R3,R4，R5,R6,R7,R8組成全橋電路，它們的電阻都為120歐。由這八個(gè)電阻組成一個(gè)全橋放大電路，如右圖所示。設(shè)計(jì)中采用箔式應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)較小，但由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變會(huì)給測(cè)量帶來(lái)附加誤差，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。選用全橋電路，電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍，此外還具有溫度補(bǔ)償作用。如上圖，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一片受拉，一片受壓，然后接入電橋相鄰臂。電橋輸出電壓為放大電路和共模抑制電路電路如圖7—2所示。它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中N1，N2為兩個(gè)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(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱（或稱同向并聯(lián)型）差動(dòng)放大輸入級(jí)，N3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來(lái)進(jìn)一步抑制N1，N2的共模信號(hào)，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。由輸入級(jí)電路可寫(xiě)出流過(guò)R12，R19和R20的電流IR為IR=(U02-Ui2)/R20=(Ui1-U01)/R19=(Ui2-Ui1)/R12由此求得U01=（1+R19/R12）Ui1－R19Ui2/R12U02=（1+R20/R12）Ui2－R20Ui1/R12于是，輸入級(jí)的輸入電壓，即運(yùn)算放大器N2與N1輸出之差為U02－U01=[1+（R19+R20）/R12]（Ui2-Ui1）其差模增益Kd為Kd＝（U02－U01）/（Ui2-Ui1）＝1+（R19+R20）/R12由上式可知，當(dāng)N1,N2性能一致時(shí)，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓U02－U01有關(guān)，而與共模輸出，失調(diào)及漂移均在R12兩端相互抵消，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R19=R20。另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)R12可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì)稱性。根據(jù)共模抑制比定義，可求得輸入級(jí)的共模抑制比為CMRR12=CMRR1×CMRR2/︱CMRR1-CMRR2︱式中的CMRR1、CMRR2分別為N1、N2的共模抑制比。當(dāng)R14=R16、R15=R17時(shí)，運(yùn)算放大器N3的差模增益為Kd3＝R17/R16整個(gè)電路的共模抑制比為CMMR=(CMRR×CMMR12)/(|KdCMMR3+CMMR12|)式中CMRR3－運(yùn)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(yùn)算放大器N3具有高的共模抑制比，同時(shí)精選外接電阻，盡量使R14=R16、R15=R17，精度應(yīng)控制在0.1%內(nèi)。而且通常將輸入級(jí)的增益Kd設(shè)計(jì)得大些，輸出級(jí)的增益Kd3設(shè)計(jì)得小些。這種電路由于N1,N2的隔離作用，輸出級(jí)的外部電阻可以取得較小，有利于提高電阻的匹配精度，提高整個(gè)電路的共模抑制比CMRR≥120dB，共模輸入電壓范圍為＋6～－10V，總增益1～10000（Rp為幾十至幾百歐姆）。如果N1,N2和N3選用高精度，低漂移的集成運(yùn)算放大器（如4E325），那么，該電路則可獲得相當(dāng)優(yōu)良的性能。圖7—2三運(yùn)放高共模抑制比放大電路手動(dòng)可調(diào)幅可調(diào)電路用同向放大器，其增益A2=（R19+R20）/R12,R12為可調(diào)電阻，改變反饋電阻R12的阻值可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)增益的大小。電路的調(diào)試與仿真電路的調(diào)試圖8—1調(diào)試電路當(dāng)R3=R4，R5=R6時(shí)，兩級(jí)的總增益為兩個(gè)差模增益的乘積，即：A=(（Rp+2R1）/Rp)(R6/R4)=((2K+2×49K)/2K)(100K/10K)=500因?yàn)镽1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=120Ω，得：因?yàn)閨εr|=με和△R=kεR，而△R’=μ△R，k為應(yīng)變片靈敏度2.0到2.2，故由,S為面積，E為彈性模量，則有:式中：k——應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；P——負(fù)載的壓力。經(jīng)過(guò)放大電路的輸出電壓Uout=A×U0根據(jù)上面過(guò)程算出下面表格數(shù)據(jù)：表8-1壓力理論值與實(shí)際值的比較壓力（KN）應(yīng)變片的變化量（歐）電橋輸出電壓U0（mv）放大電路電壓輸出Uout（v）轉(zhuǎn)換精度F縱△R橫△R’理論實(shí)際理論實(shí)際轉(zhuǎn)換精度=（實(shí)際值-理論值）/理論值*100%120.0449-0.0131.2061.2061.2061.2060%240.0898-0.0262.4122.4122.4122.4120%360.1347-0.0393.6183.6173.6183.6170.2%480.1796-0.0524.8244.8224.8244.8220.4%600.2245-0.0656.0306.0346.0306.0340.6%720.2694-0.0787.2367.2367.2367.2360%840.3143-0.0918.4428.4438.4428.4430.1%960.3592-0.1049.6489.6489.6489.6480%1080.4041-0.11710.85410.54910.85410.5490.4%1200.4490-0.13012.06012.06212.06012.0620.2%表8-2拉力理論值與實(shí)際值的比較拉力（KN）應(yīng)變片的變化量（歐）電橋輸出電壓U0（mv）放大電路電壓輸出Uout（v）轉(zhuǎn)換精度F縱△R橫△R’理論實(shí)際理論實(shí)際轉(zhuǎn)換精度=（實(shí)際值-理論值）/理論值*100%12-0.04490.013-1.206-1.206-1.206-1.2060%24-0.08980.026-2.412-2.412-2.412-2.4120%36-0.13470.039-3.618-3.617-3.618-3.6170.2%48-0.17960.052-4.824-4.822-4.824-4.8220.4%60-0.22450.065-6.030-6.034-6.030-6.0340.6%72-0.26940.078-7.236-7.236-7.236-7.2360%84-0.31430.091-8.442-8.443-8.442-8.4430.1%96-0.35920.104-9.648-9.648-9.648-9.6480%108-0.40410.117-10.854-10.549-10.854-10.5490.4%120-0.44900.130-12.060-12.062-12.060-12.0620.2%用MATLAB實(shí)現(xiàn)的F—V特性圖壓力matlab程序F=[12000:12000:12