應(yīng)變式荷重傳感器及轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)-傳感器課程設(shè)計(jì)

1、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)變式荷重傳感器及轉(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) 光測(cè)11(1)學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 陳益民、查曉春、黎勉2014年6月目錄一、廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書二、荷重測(cè)量的一般方法的比較12.1應(yīng)變式傳感器12.2壓阻式傳感器12.3電感式傳感器22.4電容式傳感器22.5壓電式傳感器2三、傳感器方案的確定33.1荷重傳感器的主要技術(shù)參數(shù)：33.2金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)33.3應(yīng)變片的測(cè)量原理3四、彈性元件64.1彈性元件的要求64.2彈性元件的選擇64.3彈性元件的分析和計(jì)算7五、電阻應(yīng)變片的選擇105.1應(yīng)變片的選擇及應(yīng)變片的許用應(yīng)變驗(yàn)

2、證105.2應(yīng)變片粘貼厚度的計(jì)算115.3應(yīng)變片的分析.115.4應(yīng)變片的連接方式和應(yīng)變片粘貼方式125.5受壓軸截面面積的計(jì)算,彈性元件基本尺寸確定.125.6傳感器的靈敏系數(shù)的確定.13六、外殼尺寸確定146.1聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)146.2殼體的設(shè)計(jì)14七、測(cè)控電路設(shè)計(jì)及計(jì)算157.1轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)157.2電路調(diào)零調(diào)幅電路和電橋轉(zhuǎn)換電路157.3放大電路和共模抑制電路167.4電橋放大電路各元件參數(shù)及其輸出電壓的計(jì)算187.5用MATLAB實(shí)現(xiàn)的FV特性圖20八、傳感器精度驗(yàn)證22九、參考文獻(xiàn)22十、心得體會(huì)22十一、附錄29一、 廣東工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書“傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)踐”之二題目名稱應(yīng)變

3、式荷重傳感器及轉(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（光測(cè)11（1）班）姓名 黃思培學(xué)號(hào) 3111002540一、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：了解荷重測(cè)量的一般方法；制定利用應(yīng)變式傳感器測(cè)量荷重的方案；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)行荷重傳感器的結(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：01×105N；稱量精度：±1 %3、要求設(shè)計(jì)說(shuō)明書

4、字?jǐn)?shù)不少于5000字。三、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1、了解荷重測(cè)量的一般方法，制定利用應(yīng)變式傳感器測(cè)量重物的方案； 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、應(yīng)變式荷重傳感器結(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。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3-3016月17日2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1819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2022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

5、路工學(xué)1#-1076月23日5傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試工學(xué)1#-1076月2425日6傳感器制作工藝研究工學(xué)1#-1076月26日7撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書工學(xué)1#-1076月27日8分組答辯工學(xué)1#-1076月28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(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)

6、出版社，1997年發(fā)出任務(wù)書日期：2014年6月17日指導(dǎo)教師簽名：陳益民、黎勉、查曉春計(jì)劃完成日期： 2014年6月28日基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章：主管院長(zhǎng)簽章：摘要關(guān)鍵字：應(yīng)變式荷重傳感器、應(yīng)變片、電橋新技術(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，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。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。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。為了進(jìn)一步改善應(yīng)變式荷重傳感器的形狀尺寸與性能指標(biāo)，本課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)研

7、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。電阻應(yīng)變式傳感器是直接利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器，具有測(cè)量范圍廣、誤差小、靈敏度高、線性特性好且能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于力矩、壓力、加速度、重量等測(cè)量領(lǐng)域。力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。本課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究應(yīng)變式荷重傳感器的工作原理。電阻應(yīng)變效應(yīng)：外力作用于金屬或半導(dǎo)體材料，使其發(fā)生機(jī)械變形，此時(shí)金屬或半導(dǎo)體材料的電阻值就會(huì)隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。對(duì)于一根金屬電阻絲，設(shè)其電阻率為、長(zhǎng)度為l、橫截面積為S，則在未

8、受力時(shí)，金屬電阻絲的原始電阻為R=l/S。當(dāng)金屬電阻絲受到拉力作用時(shí)將伸長(zhǎng)dl，橫截面積相應(yīng)減少dS，電阻率改變d，從而引起金屬電阻的變化。二、 荷重測(cè)量的一般方法的比較由于應(yīng)變片的變形，使其阻值發(fā)生變化，從而使電壓的輸出值發(fā)生變化，再通過(guò)基本轉(zhuǎn)換電路把力轉(zhuǎn)換成電量的形式表示出來(lái)。在工程應(yīng)用上，壓力的測(cè)量一般都通過(guò)力敏傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。力敏是指對(duì)力學(xué)量敏感的一類器件或裝置。對(duì)力學(xué)量敏感的期間或裝置種類繁多，其中主要有應(yīng)變式、電感式、電容式和壓電式傳感器。某種形態(tài)傳感器基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量 /壓力 U電量圖1.1 荷重測(cè)量的一般方法1. 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片。當(dāng)試件受力變形

9、時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，引起應(yīng)變片電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)輸出。金屬應(yīng)變式傳感器可以測(cè)量力、壓力等非電量參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：精度高，測(cè)量范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高。對(duì)測(cè)力傳感器而言，量程從零點(diǎn)幾牛至幾百千牛，精度可達(dá)0.05%FS（FS為滿量程）；對(duì)測(cè)壓傳感器，量程從幾十帕至1011帕，精度為0.1%FS。應(yīng)變測(cè)量范圍一般可由幾微應(yīng)變至幾千微應(yīng)變。缺點(diǎn)：在大應(yīng)變狀態(tài)中具有較明顯的非線性，且抗干擾能力較差，需要采用屏蔽措施。2. 壓阻式傳感器固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱壓阻效應(yīng)。壓阻式傳感器就是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。它主要用來(lái)測(cè)量壓力、加

10、速度和載荷等參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，精度高0.020.1級(jí)，頻率響應(yīng)好，可測(cè)300-500KHz以下的脈沖壓力；工作可靠，耐沖擊；耐震動(dòng)；抗干擾；可微型化、智能化、功耗小、體積小、壽命長(zhǎng)，可批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：半導(dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。3. 電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量檢測(cè)的一種裝置?？梢杂脕?lái)測(cè)壓力、應(yīng)變等參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高。缺點(diǎn)：存在零點(diǎn)殘余電壓；頻率響應(yīng)低，不宜用快速測(cè)量。4. 電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種裝置，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有

11、可變參數(shù)的電容器。它廣泛應(yīng)用于壓力、加速度等測(cè)量之中。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)。缺點(diǎn)：輸出阻抗高，負(fù)載能力差，寄生電容影響大。5.壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是一種力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、重量輕、固有頻率高。缺點(diǎn)：無(wú)靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，價(jià)格貴，一般只用于對(duì)精度要求很高的情況中。 綜上所述，結(jié)合本次課程設(shè)計(jì)的參數(shù)要求和各傳

12、感器的特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)合的比較，應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器無(wú)論在數(shù)量上，還是在應(yīng)用領(lǐng)域方面，它與其它類型的力與稱重傳感器相比仍然占主導(dǎo)地位。因此本次荷重傳感器課程設(shè)計(jì)選用應(yīng)變式傳感器。三、 傳感器方案的確定1.荷重傳感器的主要技術(shù)參數(shù)：測(cè)力范圍：01×105N；稱量精度：±1 %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(cè)量物體的變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器?，F(xiàn)對(duì)應(yīng)變片傳感器的工作原理作簡(jiǎn)單介紹；2.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，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)。設(shè)有一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)的，截面積為S，電阻率為的金屬絲

13、，在未受力時(shí)，原始電阻為： （2-1）當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)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(duì)變化為： （2-2）由材料力學(xué)知： （2-3）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： （2-4）上式為“應(yīng)變效應(yīng)”的表達(dá)式，K0為金屬電阻的靈敏系數(shù)，通常金屬絲的靈敏系數(shù)K0=2左右。實(shí)驗(yàn)也表明，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變稱正比。3.應(yīng)變片的測(cè)量原理金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片（底）、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)

14、作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。圖2.1應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的規(guī)格以面積和阻值表示。 如（l×b）mm2 120其中：l-應(yīng)變片的基長(zhǎng)；b基寬。應(yīng)變式力傳感器的彈性元件有輪輻式，梁式，環(huán)式，柱式等，下面對(duì)這幾種應(yīng)變式力傳感器進(jìn)行分析比較：（1） 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2.1所示。可以消除載荷偏心和側(cè)向力對(duì)輸出的影響。這是一種較新型的傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、滯后小、重復(fù)性及線性度好。（2） 梁

15、式傳感器梁式力傳感器有多種形式，有等截面梁，等強(qiáng)度梁和雙端固定梁等，通過(guò)梁的彎曲變形測(cè)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度較高。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。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)粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。另外梁的形式還有平行雙孔梁、工字梁、S型拉力梁等。（3） 環(huán)式傳感器環(huán)式常用于測(cè)幾十千克以上的大載荷，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。環(huán)式彈性元件包括典型的圓環(huán)式、扁環(huán)式、柱環(huán)式等。（4） 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

16、壁應(yīng)力均勻的中間部分，并均勻?qū)ΨQ地粘貼多片。柱式傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可測(cè)量大的拉壓力，最大可達(dá)107N，為了提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱式結(jié)構(gòu)。相對(duì)于實(shí)心圓柱體，空心圓筒在同樣的橫截面情況下，橫向剛度大，橫向穩(wěn)定性好。綜上所述，總結(jié)出四種彈性體的比較表如下表類型負(fù)載能力精度線性度工藝性體積輪輻式大高好較復(fù)雜較小梁式小高較好簡(jiǎn)單小環(huán)式較大高好較復(fù)雜小柱式大較高較好簡(jiǎn)單大綜合對(duì)以上各種形式的傳感器進(jìn)行比較，由于柱式傳感器具有負(fù)載能力大，精度較高，加工工藝簡(jiǎn)單，線性度較好等特點(diǎn)，并根據(jù)題目的參數(shù)要求，測(cè)力范圍：1×1031×105 N，稱量精度：±1%和器

17、件的應(yīng)用性，加工性，本課設(shè)最終選用圓柱筒應(yīng)變式荷重傳感器。四、彈性元件1.彈性體材料的選擇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；(

18、7)具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；(8)彈性滯后應(yīng)盡量小。查新編傳感器技術(shù)手冊(cè)表7-1得以下是三種彈性體材料的特點(diǎn)：材料鈹青銅QBe2174PH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/×10-6-117.610.87.58.1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)變式荷重傳感器柱式傳感器使用特性和性能指標(biāo)，本設(shè)計(jì)使用174PH不銹鋼作為彈性元件的制造材料

19、，主要原因是174PH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 0 C/5000 C）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)1100-1300 mpa (160-190 ksi) 的耐壓強(qiáng)度。這個(gè)等級(jí)不能用于高于300 0C (572 0F) 或非常低的溫度下，它對(duì)大氣及稀釋酸或鹽都具有良好的抗腐蝕能力，它的抗腐蝕 能力與304 和430 一樣。由于174PH不銹鋼具有以上特性，所以比較適合于用作應(yīng)變式荷重傳感器的彈性元件材料。2.對(duì)彈性元件的許用應(yīng)變計(jì)算由上我們可知174PH不銹鋼屈服強(qiáng)度s=1.8

20、5×109Pa，彈性模量E=1.95×1011Pa，因它為塑性材料，則安全系數(shù)ns1.22.5，取ns2。則許用應(yīng)力：=s/ns=1.85×109Pa /2=9.25×108Pa根據(jù)=E得：1=/E=9.25×108Pa /(1.95×1011Pa)=4.74×10-3。五、電阻應(yīng)變片的選擇金屬電阻應(yīng)變片此類應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式有絲式、箔式和薄膜式三種。絲式應(yīng)變片如圖1所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時(shí)只要將應(yīng)變片貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感

21、器。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，強(qiáng)度高，但允許通過(guò)的電流較小，測(cè)量精度較低，適用于測(cè)量要求不很高的場(chǎng)合使用。圖1  金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片該類應(yīng)變片的敏感柵是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在0.0030.01mm之間，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，柵長(zhǎng)l最小可做到0.2mm，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。（2）與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。（3）橫向效應(yīng)可以忽略。（4）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。它的主要缺點(diǎn)是電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐坶，故需要作阻值調(diào)整。箔式應(yīng)變片與絲式應(yīng)變片比較，其

22、面積大，散熱性好，允許通過(guò)較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可繞性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。金屬薄膜應(yīng)變片它是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，可在-197317溫度下工作。主要問(wèn)題是，尚難控制其電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。1.應(yīng)變片的選擇及應(yīng)變片的許用應(yīng)變驗(yàn)證2根據(jù)新編傳感器技術(shù)手冊(cè)中的日本新興通信工業(yè)株式會(huì)社的傳感器資料，在實(shí)際的應(yīng)用中可參照新興通信株式會(huì)社公司生產(chǎn)的型號(hào)B-FA

23、E-2J-12的應(yīng)變片，其特性參數(shù)如下表所示：系列型號(hào)額定電阻()應(yīng)變片基長(zhǎng)(mm)絲柵尺寸基底尺寸靈敏系數(shù)長(zhǎng)×寬全長(zhǎng)×全寬B-FAE-2J-12±12088×0.510.2×0.513×22.1由上得：應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.1因?yàn)镽s=K×R×1=2.1×120×4.74×10-3=1.195根據(jù)Kss=Rs/Rs，且Ks=2.1，Rs=1.195，Rs=120，所以s=Rs/Rs/Ks=1.195/120/2=4.98×，則2=s=4.98×10-3，1=

24、4.74×10-3，因?yàn)? 2，所以應(yīng)取1 =4.74×進(jìn)行計(jì)算。2.應(yīng)變片粘貼厚度的計(jì)算為了消除基底端部過(guò)度區(qū)的影響，要求應(yīng)變片基底長(zhǎng)度Ld至少比柵長(zhǎng)Lj大2a，故設(shè)Ld=Lj2a，所以a=(LdLj)/2=(42)/2=1mm，所以基底及粘界劑層的厚度=a/2=0.5mm。3.應(yīng)變片的分析令外力均勻地作用于筒壁上，在筒壁上取一單元面積ABCD，在兩個(gè)方向上都受壓縮作用。所以1和2都是主應(yīng)力，垂直于ABCD方向的壓力產(chǎn)生的應(yīng)力3<<1和2，故可忽略不計(jì)。設(shè)：d為圓筒的內(nèi)徑；l為圓筒的長(zhǎng)度；為圓筒壁的厚度，則（4-2）作用于圓筒底部軸向力P為：承受軸向壓力P的為

25、圓筒的橫斷面積（圓環(huán)面積）因此，軸向應(yīng)力2為圖4.4（4-3）橫向力（作用于直徑平面上的壓力）P1 ，是由縱向截面的支反力N來(lái)平衡。當(dāng)支反力N和橫向力P1=pdl兩力平衡時(shí)，則（4-4）所以（4-5）徑向應(yīng)力1為（4-6）比較軸向應(yīng)力2和徑向應(yīng)力1有（4-7）所以（4-8）因此，工作應(yīng)變片應(yīng)該沿圓周方向粘貼。4.應(yīng)變片的連接方式和應(yīng)變片粘貼方式5. 受壓軸截面面積的計(jì)算,彈性元件基本尺寸確定根據(jù)任務(wù)書可知：測(cè)力范圍為01×105N由上可知1 =4.74×。則E4.74××1.95×1011Pa9.25×108Pa。所以傳感器受壓軸的截

26、面面積為：A=F/= 1×105/(9.25×108Pa)1.08×10-4m2。因?yàn)槭芰γ娣e較小，故受壓軸使用圓筒式結(jié)構(gòu)。選擇D與d時(shí)， 要考慮到構(gòu)件的穩(wěn)定性及加工條件，原因是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H=(22.5)D,而圓筒式則可適當(dāng)短一些。由=E=4.74x10-3×1.95×1011=9.25×108pa。又由A>=Fmax/=105/（9.25X

27、108）=108mm2為了使傳感器過(guò)載50%時(shí)不至于損壞可是當(dāng)增大其面積：···········6. 傳感器的靈敏系數(shù)的確定根據(jù)公式：S=(12)K×F/(2A×E)×103其中：為材料的泊松比（取0.272）；F為傳感器的額定負(fù)荷；K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；E為材料的彈性模量；A為彈性元件貼片部位的截面積。得此傳感器的靈敏系數(shù)為：S=(12×0.272)×2.1×1×105/(2×A×1.95

28、15;1011)×103Sg=2.1求得A>395mm2，綜合式，A>395mm2。取外徑D=30mm,求得d<19.9mm,取d=18mm。則A=452mm2,取H=2*D=2×30=60mm。六、外殼尺寸確定1.聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)聯(lián)接的要求：（1） 機(jī)械上是堅(jiān)固的，不怕振動(dòng)；（2） 避免熱應(yīng)力對(duì)芯片的影響；（3） 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；（4） 氣密且耐水壓力的。根據(jù)連接的要求，有：（1） 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=6mm。（2） 上蓋與外殼選用螺

29、紋連接：根據(jù)工作要求，選用螺距P=1mm的螺紋。（3） 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325mm，選8mm。2.殼體的設(shè)計(jì)（1） 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(LY12)作為材料。（2） 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(LY12)作為上蓋的材料。（3） 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(65Mn)作為受壓元件的材料。（4） 防塵、接線的設(shè)計(jì)為了防止傳感器內(nèi)部器件受到塵埃，空氣或其它液體的腐蝕，要進(jìn)行一

30、定的防塵措施。因此在受壓軸上的受壓頭的軸肩處使用氈圈進(jìn)行油封；在外殼的上邊緣處使用橡膠墊圈進(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：氈圈選用尺寸為：內(nèi)徑d=29mm，外徑D=42mm，氈圈厚b=5mm的零件。七、轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試傳感器轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)：應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化R/R，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或者電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。通常采用電橋?qū)崿F(xiàn)微小阻值變化的轉(zhuǎn)換。在電橋電壓電路中，由于輸出電壓Uo與電橋電壓U成正比，所以，若增加U，放大電路本身的漂移和噪聲就會(huì)相對(duì)減少。但是應(yīng)變片流過(guò)電流太大，其發(fā)熱增大，受應(yīng)變片允許功耗的限制。因此

31、，電橋電壓U以不超過(guò)6V為宜，則取U為5V。電路調(diào)零調(diào)幅電路和電橋轉(zhuǎn)換電路如圖所示，通過(guò)調(diào)節(jié)R9可以調(diào)節(jié)電橋的供電電壓，并且可以在任何時(shí)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。1.轉(zhuǎn)換電路方案的選擇1、直流電橋四臂電橋電路如下圖所示。當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗度很高，比電橋輸出電阻大很多，可以把電橋輸出端看成開(kāi)路，如下圖所示：電橋的輸出式為：Uo(R1R4R2R3)U/(R1+R2)(R3+R4)電橋的平衡條件為R1R4R2R3。應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化R，此時(shí)有不平衡電壓輸出。Uo(R4/R3)(R1/R1)U/(1R2/R1R1/R1)(1R4/

32、R3)設(shè)橋臂比nR2/R1，由于電橋初始平衡時(shí)有R1R4R2R3，略去分母中的R1/ R1可得：Uon(R1/R1)U/(1n)2電橋靈敏度定義為KuUo/R1/R1,可得單臂工作應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度為KunU/(1n)2顯然，Ku與電橋電源電壓成正比，電源電壓的提高，受應(yīng)變片允許功耗的限制。Ku與橋臂比n有關(guān)。當(dāng)n1時(shí)有Uo(R1/R1)U/4 KuU/4上式表明，當(dāng)電源電壓U及電阻相對(duì)值一定時(shí)，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻值的大小無(wú)關(guān)。2、半橋差動(dòng)電橋根據(jù)被測(cè)試件的受力情況，若使一個(gè)應(yīng)變片受拉力，一個(gè)受壓力，則二者所受到的應(yīng)變符號(hào)相反；如圖2所示：圖2該電橋的輸出電壓Uo為若R1

33、=R2，R1=R2，R3=R4，則上式簡(jiǎn)化為：由上式可知，Uo與R2/R2成線性關(guān)系，所以差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差。而且將上式與單臂電橋輸出公式比較發(fā)現(xiàn)，差動(dòng)電橋的電壓靈敏度比單臂道變片提高了一倍，同時(shí)可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?、全橋差動(dòng)電橋若給電橋的四臂接入四片應(yīng)變片，使兩個(gè)橋臂應(yīng)變片受到拉力，兩個(gè)橋臂應(yīng)變片受到壓力，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，則構(gòu)成全橋差動(dòng)電路，若滿足R1=R2=R3=R4，R1=R2=R3=R4，則輸出電壓為：將上式與其他電橋輸出相比可知，電壓靈敏度比直流電橋提高了4倍，比半橋差動(dòng)電路提高了一倍，因此負(fù)載能力增強(qiáng)。2.方案的選定與分析計(jì)算綜上方案，本設(shè)計(jì)選取全橋接法

34、以達(dá)到靈敏度高的目的。通過(guò)加上橫向應(yīng)變片可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般將應(yīng)變計(jì)對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間部分，因?yàn)镽1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=R8=120，得：因?yàn)閨r|=和R=kR，而R=R，故當(dāng)R為120，U=5V，查表，不銹鋼的=0.272，。則有： = =7.2110-5*F mV 當(dāng)最大輸入負(fù)載F1×N 時(shí)，輸出電壓值為7.21mV式中：k應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；F負(fù)載的壓力。3.電橋放大電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)由傳感器電橋和運(yùn)算放大器組成的放大電路或由傳感器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。電橋放大電路有單端輸入和差動(dòng)輸入兩類。1、單端輸入電橋放大電路的特點(diǎn)為：其增

35、益與橋臂電阻無(wú)關(guān)，增益比較穩(wěn)定，但電橋電源一定要浮置，且輸出電壓Uo與橋臂電阻的相對(duì)變化率是非線性關(guān)系，只有當(dāng)<<1時(shí)，Uo與才近似按線性變化。2、差動(dòng)輸入電橋放大電路的特點(diǎn)為：當(dāng)電橋四個(gè)橋臂的電阻同時(shí)變化時(shí)，電路的電壓放大倍數(shù)不是常量，增益也不穩(wěn)定。另外，電路的非線性仍然存在，只有當(dāng)<<1時(shí)，Uo與才近似成線性關(guān)系。當(dāng)共模電壓較大時(shí)，輸入信號(hào)將被淹沒(méi)。因此，這種電路只適用于低阻值傳感器、測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、要將輸入信號(hào)放大到10倍左右； 2、所選用的單片式運(yùn)放的增益穩(wěn)定性。一般使用運(yùn)放時(shí)，其增益由電阻決定，若電阻值有漂移，則增

36、益也有漂移，故要充分注意影響共模抑制比CMRR的放大器周圍電阻的穩(wěn)定性。4.電橋放大電路的設(shè)計(jì)與理論分析拉/壓力傳感器接成電橋，常用差動(dòng)放大器進(jìn)行放大。如果把傳感器的輸出加在一個(gè)差動(dòng)放大器N1的同相和反相輸入端，則因反相輸入端的輸入阻抗小，不僅會(huì)產(chǎn)生增益誤差，而且使傳感器內(nèi)部經(jīng)過(guò)嚴(yán)密調(diào)整的溫度補(bǔ)償遭到破壞。本設(shè)計(jì)選擇兩個(gè)運(yùn)放高共模抑制比放大電路，它由兩個(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）的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱差動(dòng)放大器輸入級(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。此放大電

37、路具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、輸出漂移小以及共模抑制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在N1,N2的輸入端分別加了RC低通濾波器以濾掉高頻干擾信號(hào)。圖為高輸入阻抗差分放大器,應(yīng)用十分廣泛.從儀器測(cè)量放大器,到特種測(cè)量放大器,幾乎都能見(jiàn)到其蹤跡。從圖中可以看到A1、A2兩個(gè)同相運(yùn)放電路構(gòu)成輸入級(jí)，在與差分放大器A3串聯(lián)組成三運(yùn)放差分防大電路。電路中有關(guān)電阻保持嚴(yán)格對(duì)稱,具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)A1和A2提高了差模信號(hào)與共模信號(hào)之比,即提高了信噪比;(2)在保證有關(guān)電阻嚴(yán)格對(duì)稱的條件下,各電阻阻值的誤差對(duì)該電路的共模抑制比KCMRR沒(méi)有影響;(3)電路對(duì)共模信號(hào)幾乎沒(méi)有放大作用,共模電壓增益接近零。因?yàn)殡娐分蠷

38、1=R2、 R3=R4、 R5=R6 ，故可導(dǎo)出兩級(jí)差?？傇鲆鏋椋和ǔ?，第一級(jí)增益要盡量高，第二級(jí)增益一般為12倍，這里第一級(jí)選擇100倍，第二級(jí)為1倍。則取R3=R4=R5=R6=10K,要求匹配性好，一般用金屬膜精密電阻，阻值可在10K幾百K間選擇。則Avd=(RP+2R1)/RP先定RP，通常在1K10K內(nèi)，這里取RP1K，則可由上式求得R1=99RP/2=49.5K取標(biāo)稱值51K。通常RS1和RS2不要超過(guò)RP/2，這里選RS1RS2510，用于保護(hù)運(yùn)放輸入級(jí)。A1和A2應(yīng)選用低溫飄、高KCMRR的運(yùn)放，性能一致性要好?？偟碾娐穲D如下：5.電橋放大電路各元件參數(shù)及其輸出電壓的計(jì)算為使電

39、橋放大電路的輸出電壓范圍保證在010V之間，以便后接儀表或?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換所用，則電橋放大電路的差模增益應(yīng)該為K=1350左右。由于根據(jù)本設(shè)計(jì)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：（電阻精度0.5%）R11()R12()R10()R13()R15()1349K1349K2K200K200K由上表計(jì)算可得出因此，當(dāng)電橋供電電壓U=5V時(shí)，電橋轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓范圍為：0-7.21mv當(dāng)壓力F=100000N時(shí)，有：10-3縱向電阻變化：橫向電阻變化：=0.074電橋輸出：運(yùn)放輸出：其它依次類推可以求得,下面是測(cè)試所得的一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量表：壓力（N）應(yīng)變片的變化量（歐）電橋輸出電壓U

40、0（mv）放大電路電壓輸出Uout（v） F縱向R橫向R1 理論 實(shí)際 理論 實(shí)際10000-0.02720.0074-0.721-0.7210.9730.97020000-0.05440.0148-1.442-1.4421.9471.94130000-0.08160.0222-2.162-2.1632.9192.91240000-0.1090.0296-2.883-2.8883.8923.88950000-0.1360.0370-3.604-3.6064.8684.85460000-0.1630.0444-4.325-4.3235.8395.82070000-0.1900.0518-5.04

41、6-5.0406.8126.78280000-0.2180.0592-5.766-5.7797.7847.78090000-0.2490.0666-6.487-6.5808.7578.790100000-0.2720.0740-7.208-7.2149.7319.713表6-1壓力理論值與實(shí)際值的比較用MATLAB實(shí)現(xiàn)的FV特性圖matlab程序1、壓力matlab程序：f=10000:10000:100000;v1=0.721,1.442,2.162,2.883,3.604,4.325,5.046,5.766,6.487,7.208;V1=0.721,1.442,2.163,2.888,3.

42、606,4.323,5.040,5.779,6.480,7.214;subplot(121);plot(f,v1,f,V1,'r-');xlabel('F/N ');ylabel('mV ');title('電橋輸出 F-V圖');text(10000,22,'實(shí)線為理論曲線')grid;v2=0.973,1.947,2.919,3.892,4.868,5.893,6.812,7.784,8.757,9.731;V2=0.970,1.941,2.912,3.889,4.854,5.820,6.782,7.780,8

43、.790,9.713;subplot(122);plot(f,v2,f,V2,'r-');xlabel('F/N ');ylabel('V ');title('差動(dòng)輸出F-V圖');text(10000,3.3,'實(shí)線為理論曲線')grid;根據(jù)上表用Matlab作出傳感器的F-V圖，得知其特性如下。八、傳感器精度驗(yàn)證課程設(shè)計(jì)任務(wù)書要求稱量精度：±1 %主要誤差主要包括彈性元件加工精度造成的誤差，應(yīng)變片精度和黏貼造成的誤差，放大電路電阻精度造成的誤差。1.彈性元件加工精度造成的誤差驗(yàn)證彈性元件的公差等級(jí)為

44、IT7，這說(shuō)明外徑D=30.00030.018mm，d=18.00018.018mm當(dāng)D=30.000mm，d=18.018mm，此時(shí)彈性元件厚度最薄A=4(D2-d2)=451.88mm2=1.135x10-3縱向電阻變化：橫向電阻變化：=0.0741電橋輸出為：當(dāng)D=30.018mm，d=18.000mm，此時(shí)彈性元件厚度最厚A=4(D2-d2)=453.24mm2=1.1315x10-3縱向電阻變化：橫向電阻變化：=0.0739測(cè)試數(shù)據(jù)如下：傳感器厚度最大(D=30.0018,d=18.000壓力（N）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） F縱向R橫

45、向R1 理論 實(shí)際 理論 實(shí)際10000-0.0271560.00739-0.721-0.7200.9730.96920000-0.0543120.01478-1.442-1.4401.9471.93830000-0.0814680.02217-2.162-2.1602.9192.90740000-0.1086240.02956-2.883-2.8803.8923.87750000-0.1357800.03695-3.604-3.6004.8684.84760000-0.1629360.04434-4.325-4.3205.8395.81670000-0.1900920.05173-5.046

46、-5.0416.8126.78680000-0.2172480.05912-5.766-5.7617.7847.75790000-0.2444040.06651-6.487-6.4828.7578.728100000-0.2715600.07390-7.208-7.2039.7319.697傳感器厚度最小(D=30.000,d=18.018)時(shí)壓力（N）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） F縱向R橫向R1 理論 實(shí)際 理論 實(shí)際10000-0.027240.00741-0.721-0.7220.9730.97220000-0.054480.01482-1.442-1.4441.9471.94430000-0.081720.02223-2.162-2.1662.9192.91640000-0.108960.29640-2.883-2.8883.8923.88950000-0.136200.03705-3.604-