傳感器與測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)-王瑋

1、西安廣播電視大學(xué)開放教育機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書題目： 基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì) 專業(yè)層次： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 級(jí) 別： 本科 學(xué) 號(hào)： 1361101255627 姓 名： 王瑋 分校（工作站）： 西安廣播電視大學(xué)城北分校 指導(dǎo)教師： 2014年 11 月 5日25開放教育專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書編號(hào)：1361101255627試點(diǎn)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 辦學(xué)單位：西安廣播電視大學(xué)城北分校 設(shè)計(jì)題目基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名王瑋畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容：1 設(shè)計(jì)（論文）技術(shù)要求和主要內(nèi)容次課程設(shè)計(jì)的稱重傳感器就是利用應(yīng)變片阻值的變化量來確定彈性元

2、件的微小應(yīng)變，從而利用力，受力面積及應(yīng)變之間的關(guān)系來確定力的大小，進(jìn)而求得產(chǎn)生作用力的物體的質(zhì)量。應(yīng)變片阻值的變化可以通過后續(xù)的處理電路求得。2設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排2013.1.10-2013.2.5 安排畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，了解電大設(shè)計(jì)要求和規(guī)定2013.2.6-2013.1.25 初步確定總體方案以及總體思路，檢查第一稿2013.2.26-2013.3.9 進(jìn)一步完善總體方案，對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行初步計(jì)算2013.3.10- 2013.3.31 具體細(xì)節(jié)規(guī)劃設(shè)計(jì)與計(jì)算，檢查第二稿2013.4.1-2013.4.24 在第三稿的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，檢查第三稿2013.4.25-2013.5.5 檢

3、查所有論文資料，檢查最終稿指導(dǎo)教師簽字試點(diǎn)分校、教學(xué)班意見： 教學(xué)班負(fù)責(zé)人簽字、試點(diǎn)分校蓋章_ 年 月 日 前言隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非物理量的測(cè)試與控制技術(shù)，已越來越廣泛地應(yīng)用于航天、航空、交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械制造、石化、輕工、技術(shù)監(jiān)督與測(cè)試等技術(shù)領(lǐng)域，而且也正逐步引入人們的日常生活中去。傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)。在測(cè)試系統(tǒng)中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測(cè)出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置。其中電阻應(yīng)變式傳感器是被廣

4、泛用于電子秤和各種新型機(jī)構(gòu)的測(cè)力裝置，其精度和范圍度是根據(jù)需要來選定的。因此，應(yīng)根據(jù)測(cè)量對(duì)象的要求，恰當(dāng)?shù)剡x擇精度和范圍度是至關(guān)重要的。但無論何種條件、場(chǎng)合使用的傳感器，均要求其性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，經(jīng)久耐用。隨著技術(shù)的進(jìn)步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計(jì)測(cè)以及吊車秤、汽車秤等計(jì)測(cè)控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動(dòng)檢測(cè)和粉粒體進(jìn)料量控制等，都應(yīng)用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運(yùn)用到了

5、所有的稱重領(lǐng)域。本次課程設(shè)計(jì)的是一個(gè)大量程稱重傳感器，測(cè)量范圍為1t到100t。本次課程設(shè)計(jì)的稱重傳感器就是利用應(yīng)變片阻值的變化量來確定彈性元件的微小應(yīng)變，從而利用力，受力面積及應(yīng)變之間的關(guān)系來確定力的大小，進(jìn)而求得產(chǎn)生作用力的物體的質(zhì)量。應(yīng)變片阻值的變化可以通過后續(xù)的處理電路求得。傳感器的設(shè)計(jì)主要包括彈性元件的設(shè)計(jì)和處理電路的設(shè)計(jì)。由于傳感器輸出的信號(hào)是微弱信號(hào)，故需要對(duì)其進(jìn)行放大處理；由于傳感器輸出的信號(hào)里混有干擾信號(hào)，故需要對(duì)其進(jìn)行檢波濾波；由于傳感器輸出的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓），故需要設(shè)計(jì)共模抑制電路。除此之外，還要設(shè)計(jì)調(diào)零電路。目 錄1、課程設(shè)計(jì)目的和要求-1

6、2、課程設(shè)計(jì)任務(wù)-23、方案的選擇-3 3.1方案的制定-33.2 方案的確定-44、材料的選擇-6 4.1 彈性元件-6 4.1.1 彈性元件材料-6 4.1.2彈性元件材料-7 4.2 應(yīng)變片的選擇-8 4.2.1電阻應(yīng)變片類型的選擇-9 4.2.2應(yīng)變計(jì)的材料-9 4.3應(yīng)變計(jì)主要參數(shù)的確定-105、外殼尺寸確定-116、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算-12 6.1電橋電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算-12 6.2交流電壓輸出電路-13 6.3放大電路-136.4濾波電路-16 6.6數(shù)字顯示電路-167、誤差來源與精度分析-188、相關(guān)元器件的確定-19參考資料- 20心得體會(huì)- 21 附錄一 常用芯片引腳圖-

7、 21 附錄二 傳感器電路處理總圖- 22 附錄三 傳感器外觀設(shè)計(jì)圖- 231、課程設(shè)計(jì)目的和要求1傳感器原理課程設(shè)計(jì)是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的必須完成的一個(gè)課程設(shè)計(jì)。是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過本設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用傳感器設(shè)計(jì)和有關(guān)先修課程的理論，結(jié)合實(shí)際分析和解決工程實(shí)際問題的能力，鞏固加深有關(guān)傳感器設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。2通過制定設(shè)計(jì)方案，合理選擇傳感器結(jié)構(gòu)和相關(guān)元件類型，正確計(jì)算、選擇各零件和元件參數(shù)，確定尺寸和選擇材料，以及較全面地考慮制造工藝、使用和維護(hù)等要求，達(dá)到了解和掌握傳感器設(shè)計(jì)過程和方法。3. 進(jìn)行設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練。如：計(jì)算、繪圖、熟悉和運(yùn)用設(shè)計(jì)資料（手

8、冊(cè)、圖冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等）以及使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算和數(shù)據(jù)處理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的能力。4. 通過設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的實(shí)際訓(xùn)練，加深學(xué)生對(duì)該課程基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，使之在理論分析、設(shè)計(jì)、計(jì)算、制圖、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)與資料以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力等方面得到初步訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。2、課程設(shè)計(jì)任務(wù)題 目: 基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì) 初始條件：采用電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)測(cè)量力、壓力、加速度、位移等物理量的傳感器，設(shè)計(jì)時(shí)自行確定被測(cè)變量及測(cè)試范圍，并根據(jù)測(cè)量的需要選擇應(yīng)變片的型號(hào)、數(shù)量、粘貼方式以及彈性元件的結(jié)構(gòu)形式、相關(guān)測(cè)試電路等。要 求：1正確選

9、取電阻應(yīng)變片的型號(hào)、數(shù)量、粘貼方式并連接成交流電橋；2. 選取適當(dāng)形式的彈性元件，完成其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和受力分析，并根據(jù)測(cè)試極限范圍進(jìn)行校核；3.  完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計(jì)；4. 完成應(yīng)變電橋輸出信號(hào)的后續(xù)電路（包括放大電路、相敏檢波電路、低通濾波電路）的設(shè)計(jì)和相關(guān)電路參數(shù)計(jì)算，并繪制傳感器電路原理圖；5. 按學(xué)校課程設(shè)計(jì)說明書撰寫規(guī)范提交一份課程設(shè)計(jì)說明書（6000字左右）；6. 按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制機(jī)械裝配圖（3號(hào)圖紙）、彈性元件圖（4號(hào)圖紙）各一張。3、方案的選擇 此次傳感器課程設(shè)計(jì)選用應(yīng)變式拉壓傳感器。設(shè)計(jì)中只要把應(yīng)半片貼在承受負(fù)載的彈性元件上，通過測(cè)量彈性元件的應(yīng)

10、變大小即可求出對(duì)應(yīng)的負(fù)載大小，而彈性元件的應(yīng)變大小可以通過應(yīng)變片電阻大小的變化量來求得。故可以通過選擇不同的彈性元件和測(cè)量電路來提出不同的方案。 3.1 方案的制定 根據(jù)彈性體的結(jié)構(gòu)形式的不同可分為：輪輻式，梁式，環(huán)式，柱式等。在測(cè)量拉/壓力上主要用到的是柱式傳感器。柱式傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種，如圖2.1.1所示。（a是實(shí)心，b是空心） 圖3.1 柱式傳感器的彈性元件 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化R/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。常用的有兩臂差動(dòng)電橋和全橋電路，如圖2.1.2所示。 圖3.2 直流電橋電路3.2 方案的確定實(shí)心圓柱可以承受

11、較大的負(fù)荷，在彈性范圍內(nèi)，則應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。 = (3-1)式中：F作用在彈性元件上的集中力； S圓柱的橫截面積。圓柱的直徑根據(jù)材料的允許應(yīng)力來計(jì)算。 圖3.1 實(shí)心圓柱與空心圓柱 由于 F / S (3-2)而 S=d2 / 4 (3-3)式中d為實(shí)心圓柱直徑。則直徑 d (3-4)空心圓柱彈性元件的直徑也要根據(jù)允許應(yīng)力計(jì)算。同理 (3-5)式中：D空心圓柱外徑； d空心圓柱內(nèi)徑。根據(jù)式（3-2）和式（3-5）可知 (3-6)所以 D (3-7) 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 / D1時(shí)，沿其中間斷面

12、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)和接觸條件無關(guān)。試驗(yàn)研究的結(jié)果建議采用 H >>2D+L (3-8)式中L為應(yīng)變片的基長(zhǎng)。對(duì)于空心的圓柱為 HD-d+L (3-9)此外，因此，經(jīng)比較分析選取空心圓柱作為彈性體。電路轉(zhuǎn)換部分一般電橋的輸出電壓為 (3-10)如圖3. 2，兩臂差動(dòng)電橋電路的電壓輸出為 （3-11)設(shè)初始時(shí),工作時(shí)一片受拉一片受壓，即,則式（3-11）可以簡(jiǎn)化為 （3-12）差動(dòng)電橋電壓靈敏度為 （3-13）同理若采用四臂電橋，如圖3.2所示并設(shè)初始時(shí)，工作時(shí)時(shí)，輸出為 （3-14）四臂電橋的電壓靈敏度為 （3-15）通過比較其電壓靈敏度知四臂電橋（全橋）

13、電路的靈敏度高，故選用四臂電橋電路。4、材料的選擇4.1 彈性元件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。4.1.1 彈性元件材料在設(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

14、氧化、抗腐蝕性能；(8)彈性滯后應(yīng)盡量小。常用材料：結(jié)構(gòu)鋼CrNiMo,30CrMnSiNi2A）、鋁合金、鈦合金。材料的彈性模量、泊松比、密度和熱膨脹系數(shù)如下表所示材料名稱彈性模量E（GPa）泊松比密度（kg/m3）熱膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)鋼190-2100.27-0.30785012鋁合金70790.332600-280023鈦合金100-1200.3345008.1-11 表4.1 常用材料彈性模量泊松比經(jīng)過比較知結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量最大，熱膨脹系數(shù)最小，適合應(yīng)用制作負(fù)重大的傳感器，故本次課程設(shè)計(jì)選用結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A4.1.2 彈性元件的參數(shù)計(jì)算由4.1.知本次課程設(shè)計(jì)采用的是結(jié)構(gòu)鋼30

15、CrMnSiNi2A，查表得E=200Gpa，1080MPa取=0.3，根據(jù)許用應(yīng)力計(jì)算公式 = ，當(dāng)安全系數(shù)取2得：根據(jù)公式 (3-6) 得：又因?yàn)閼?yīng)變片的應(yīng)變比小于1500µ,取0=1000µ當(dāng)彈性體的應(yīng)變比1小于0才不至于損壞應(yīng)變片 ，由式（3-1）可得當(dāng)彈性體的截面積同時(shí)大于S1 ，S2 時(shí)才能滿足整體的設(shè)計(jì)要求。=maxS1 ，S2= 當(dāng)傳感器過載50%時(shí)，根據(jù)公式可求的所以知超載50%時(shí)，彈性元件受到的應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。彈性元件的外徑D不能選擇太小，否則會(huì)由于力的偏心造成很大的誤差。在實(shí)際計(jì)算時(shí)先按照額定載荷F，根據(jù)材料的參數(shù)求得=540MPa，取D=10.

16、0cm根據(jù)可得取d6.0cm這樣空心管的壁厚為：t柱高的確定對(duì)于圓柱筒式傳感器有 5cm為了防止彈性元件受壓時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高應(yīng)該選得小些，但又必須使應(yīng)變片能夠反映截面應(yīng)變的平均值，所以可取H=6.0cm檢驗(yàn)是否會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)，根據(jù)薄壁管的失穩(wěn)臨界應(yīng)力計(jì)算公式可得：遠(yuǎn)大于=540MPa，故在超過量程50%的載荷作用下，不會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)。4.2 應(yīng)變片的選擇4.2.1電阻應(yīng)變片類型的選擇電阻應(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(duì)測(cè)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

17、箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)： (1)本身性能穩(wěn)定，受溫度變化的影響小，在-30+350 度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作； (2) 散熱條件較好；（3）在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好； (4)適用于各種彈性體材料及彈性結(jié)構(gòu)形式，粘貼操作簡(jiǎn)便；(5)價(jià)格便宜；(a)單軸的 (b)測(cè)扭矩的 (c)多軸的(應(yīng)變花) 圖4.1各種金屬箔式應(yīng)變片4.2.2應(yīng)變計(jì)的材料電阻應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)稱應(yīng)變計(jì)（亦稱為電阻應(yīng)變片或簡(jiǎn)稱應(yīng)變片）。它由四個(gè)部分組成。第一是電阻絲（敏感柵），它是應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換元件。第二是基底和面膠（或覆蓋層）。基底是將長(zhǎng)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

18、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)結(jié)測(cè)量導(dǎo)線之用。(1)材料的選用原則 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：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(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)；e與其它金屬接觸的熱電勢(shì)??；f與引出線焊接容易。(2)常用的應(yīng)變計(jì)材料 目前國(guó)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(shí)，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表所示：

19、 表4.2常用的應(yīng)變計(jì)材料有表可知：電阻溫度系數(shù)較小而且穩(wěn)定，同時(shí)它的Ks對(duì)應(yīng)變值的穩(wěn)定性非常高，不但在變形的彈性范圍Ks持為常數(shù)，在進(jìn)入塑性范圍后，亦基本保持為常數(shù)。所以本課程設(shè)計(jì)采用是材料為康銅的應(yīng)變片。（3）基底、引線材料和粘合劑基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.030.05mm，本次設(shè)計(jì)采用膠基；引線材料是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易

20、于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線；黏合劑材料用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。本次設(shè)計(jì)采用有機(jī)粘結(jié)劑。4.3應(yīng)變計(jì)主要參數(shù)的確定箔式應(yīng)變計(jì)的敏感柵是用厚度為0.0020.005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?/p>

21、脂膠，經(jīng)過加溫聚合而成，基底的厚度一般為0.030.05mm。 圖4.2應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu) 圖4.3 敏感柵的尺寸基于彈性體結(jié)構(gòu)和測(cè)量要求選用應(yīng)變片的參數(shù)：型號(hào)敏感柵尺寸（寬×長(zhǎng)）mm×mm材料阻值靈敏度K基底BH350-2AA3*5箔式3502.02.2縮醛膠基表4.3 應(yīng)變片參數(shù)5、外殼尺寸確定 實(shí)物圖如下所示 圖5.1 柱式傳感器實(shí)物圖 具體設(shè)計(jì)圖參考附錄中的圖。6、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算6.1電橋電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算依照課程設(shè)計(jì)中的方案選擇知使用的電橋?yàn)槿珮螂娐?。在?shí)際測(cè)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。通過

22、圖6.1所示應(yīng)變片的粘貼、連接方法可以減小這種影響。 圖6.1 應(yīng)變片的粘貼和連接方法圖中各應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為 式中：為溫度引起的虛假應(yīng)變。根據(jù)橋式電路輸出為 （6-1）電橋電壓靈敏度為 （6-2）電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)變片的連接如右圖所示，對(duì)應(yīng)圖6.1所示的應(yīng)變片接法。所選用的是全橋形式的差動(dòng)電橋，且為提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，每個(gè)橋臂都安置兩個(gè)應(yīng)變片。位器為多圈電位器。6.2交流電壓輸出電路ICL8038的波形發(fā)生器是一個(gè)用最少的外部元件就能生產(chǎn)高精度正弦,方形,三角, 鋸齒波和脈沖波形徹底單片集成電路. 頻率(或重復(fù)頻率) 的選定從0.001hz到300khz可以選用電阻器或電容器來調(diào)節(jié),

23、 調(diào)頻及掃描可以由同一個(gè)外部電壓完成. ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢(shì)壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，輸出由溫度和電源變化范圍廣而決定. 這個(gè)芯片和鎖相回路作用， 具有在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的 圖6.3交流電壓輸出電路頻率漂移，最大不超過250ppm特點(diǎn)：1、具有在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過50ppm；2、正弦波輸出具有低于1的失真度；3、三角波輸出具有01高線性度；4、具有0001Hz1MHz的頻率輸出范圍；工作變化周期寬；5、298之間任意可調(diào)；高的電平輸出范圍；6、從TTL電平至28V；7、具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號(hào)輸出；8易于使用，只需

24、要很少的外部條件 取RA=RB=10K，輸出的波占空比為50%。端口9輸出的是方波，端口2輸出的是正弦波6.3放大電路來自傳感器的信號(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)100120dB。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。具體的電路如圖6.3所示 圖6.4

25、三運(yùn)放高共模抑制比放大電路它由三個(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)電路可寫出流過Ro，R1，R2的電流為 （6-2）由此求得 ， （6-3）于是，輸入級(jí)得輸出電壓，即運(yùn)算放大器N2與N1輸出之差為 （6-4）其差模增益為 （6-5）由上面公式可知，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在Ro兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能

26、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R7=R8.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?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 （6-6）式中的CMRR1、CMRR2分別為N1、N2的共模抑制比。當(dāng)R9=R10、R13=R14時(shí)，運(yùn)算放大器N3的差模增益為整個(gè)電路的共模抑制比為CMRR=(KdCMRR3× CMRR12)/( KdCMRR3+ CMRR12) （6-7）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

27、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R10=R11、R12=R13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(bǔ)償電路，則可補(bǔ)償電阻的不對(duì)稱，獲得更高的共模抑制比。改變Rp阻值可將共模增益調(diào)整到最佳點(diǎn)。所以，可以得到放大電路的總增益為 （6-8）6.4濾波電路由于測(cè)量過程中不可能做到

28、理想化，故會(huì)產(chǎn)生一些雜波，同時(shí)電路還會(huì)受到噪聲信號(hào)的干擾，因此，需要對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本次課程設(shè)計(jì)中采用的濾波電路為壓控電壓源低通濾波電路。其參數(shù)如下： (6-9) (6-10) (6-11) 圖6.5 壓控電壓源型低通濾波電路6.5數(shù)字顯示電路數(shù)顯電路主要器件由芯片MC14433和共陰極半導(dǎo)體數(shù)碼管LED組成。 圖6.6 數(shù)字顯示電路MC14433是美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的單片3位半A/D轉(zhuǎn)換器，它適合構(gòu)成帶B碼輸出的3位半LED顯示數(shù)字電壓表，是目前應(yīng)用較為普遍的一種低速A/D轉(zhuǎn)換器。MC14433的性能特點(diǎn)：（1） MC14433屬于CMOS大規(guī)模集成電路，其轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度為±0.05%。內(nèi)含時(shí)鐘振蕩器，僅需外接一只振蕩電阻。能獲得超量程（OR）、欠量程（UR）信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。能增加讀數(shù)保持（HOLD）功能。（2） 7、誤差來源與精度分析7.1電阻應(yīng)變片引起的誤差用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，由于環(huán)境溫度所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。造成應(yīng)變片溫度誤差的原因主要有兩個(gè)：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t（）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為 ，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為 （7-1）由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩