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文檔簡介

1、武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書1 緒論1.1 概述傳感器技術是利用各種功能材料實現信息檢測的一門綜合技術學科, 是在現今科學領域中實現信息化的基礎技術之一。 現代測量、控制與自動化技術的飛速發(fā)展,特別是電子信息科學的發(fā)展, 極大地促進了現代傳感器技術的發(fā)展。 同時我們也看到,傳感器在日常生活中的運用越來越廣泛, 可以說它已成為了測試測量不可或缺的環(huán)節(jié)。 因此,學習、研究并在實踐中不斷運用傳感器技術是具有重大意義的。1.2 設計任務分析采用電阻應變片設計一種電阻應變式質量(壓力)傳感器,具體要求如下:1. 正確選取電阻應變片的型號、數量、粘貼方式并連接成交流電橋;2. 選取適當形式的

2、彈性元件,完成其機械結構設計、材料選擇和受力分析,3. 并根據測試極限范圍進行校核;4. 完成傳感器的外觀與裝配設計;5. 完成應變電橋輸出信號的后續(xù)電路 (包括放大電路、 相敏檢波電路、 低通濾波電路)的設計和相關電路參數計算,并繪制傳感器電路原理圖;6. 按學校課程設計說明書撰寫規(guī)范提交一份課程設計說明書(6000 字左右);7. 按機械制圖標準繪制彈性元件圖 ( 4 號圖紙),機械裝配圖各一張 (3 號圖紙);2 方案設計2.1 原理簡述電阻應變式傳感器為本課程設計的主要部件,傳感器中的彈性元件感受物體的重力并將其轉化為應變片的電阻變化,再利用交流全橋測量原理得到一定大小的輸出電壓,通過

3、電路輸出電壓和標準重量的線性關系,建立具體的數學模型,在顯示表頭中將電壓( V)改為質量( kg)即可實現對物品質量的稱重。本次課程設計所測質量范圍是 0-10kg ,同時也將后續(xù)處理電路的電壓處理為與之對應的 0-10V。由于采用了交流電橋,所以后續(xù)電路包括放大電路,相敏檢波電路,移相電路,波形變換電路,低通濾波電路(顯示電路本次未設計)。0武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書原理框圖如圖一所示。(質量)壓力電阻應變片交流電橋5KHZ交流放大器移相器數顯表頭低通濾波相敏檢波過零比較器圖一 原理框圖2.2應變片檢測原理電阻應變片(金屬絲、 箔式或半導體應變片) 粘貼在測量壓力的彈性元件表

4、面上,當被測壓力變化時, 彈性元件內部應力變形, 這個變形應力使應變片的電阻產生變形,根據所測電阻變化的大小來測量未知壓力, 也實現本次設計未知質量的檢測。設一根電阻絲,電阻率為,長度為 l , 截面積為 S,在未受力時的電阻值為R=l-S圖二 金屬絲伸長后幾何尺寸變化如圖二所示,電阻絲在拉力F 作用下,長度 l 增加,截面 S 減少,電阻率也相應變化,將引起電阻變化R,其值為R =l S -RlS1武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書對于半徑 r 為的電阻絲,截面面積S= r 2 ,則有 s s =2 r r 。令電阻絲的軸向應變?yōu)閘 l ,徑向應變?yōu)閞 r ( l l ), 由材料力

5、學可知,為電阻絲材料的泊松系數,經整理可得R =(1+2)-R通常把單位應電所引起的電阻相對變化稱為電阻絲的靈敏系數,其表達式為K =R R- (12)從可以明顯看出, 電阻絲靈敏系數 K 由兩部分組成:受力后由材料的幾何尺寸受力引起 (12) ;由材料電阻率變化引起的()_ 1。對于金屬絲材料,()_ 1項的值比 (12) 小很多,可以忽略,故K12。大量實驗證明,在電阻絲拉伸比例極限內,電阻的相對變化與應變成正比,即為常數。通常金屬絲的 =1.7 3.6 。可寫成R =K-R2.3 彈性元件的選擇及設計本次課設對質量的檢測是通過對壓力的檢測實現的, 所以彈性元件承受物重也即壓力,這就要求彈

6、性元件具有較好的韌性、 強度及抗疲勞性, 通過查設計手冊,決定選取合金結構鋼 30CrMnSiNi2A,其抗拉應力是 1700Mpa,屈服強度是1000Mpa,彈性模量是 211Gpa。同時本次課設選取彈性元件的形式為等截面梁,其示意圖如圖三所示圖三 等截面梁作用力 F 與某一位置處的應變關系可按下式計算:= 6Fl0Ebh2式中:距自由端為 l 0 處的應變值;2武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書l 梁的長度;E 梁的材料彈性模量;b 梁的寬度;h 梁的厚度。通過設計,選取 l =20mm, l 0 =14mm,b=10mm,h=3mm現校核如下: =6Fl 061001410 -3

7、Mpa=93.3Mpa 1000Mpabh2 =1010-3910-6因此,選取是合理的。2.4 應變片的選擇及設計從理論學習中知道, 箔式應變片具有敏感柵薄而寬, 粘貼性能好, 傳遞應變性能好;散熱性好,敏感柵彎頭橫向效應可以忽略;蠕變,機械滯后小,疲勞壽命長等優(yōu)點,所以非常適合本次課設的應用。 選擇 4 片箔式應變片(BX120-02AA)阻值為 120,其基底尺寸是 2.4 2.4 ( mm mm )。同時敏感珊的材料選擇鉑因為其靈敏系數達 K s =4.6 , 且其最高工作溫度可以達 800 多攝氏度,柵長做到0.5mm。應變片粘貼在距自由端l 0 處, R1 和 R4 粘貼在梁的上方

8、承受正應變,R2 和R3則與之對應粘貼在下方承受負應變。粘貼劑選擇環(huán)氧樹脂粘貼劑?;撞牧线x擇膠基,厚度為0.03mm-0.05mm。引線材料采用直徑為0.15-0.18mm 的鉻鎳金屬絲引線。最后在安裝后的應變片和引線上涂上中性凡士林油做防護作用,以保證應變片工作性能穩(wěn)定可靠。這樣最大應變?yōu)椋?6Fl 061001410-3-6 =4.4 10-415-4Ebh2 =2111091010-391010(課設條件要求)因此是符合的。且交流電橋的最大輸出輸入比為:U oK sR10-44.62mV4.4VU iR3 單元電路的設計3武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書3.1電橋電路的設計為

9、了實現對應變片的溫度補償,因此選擇全橋電路作為測量電路,將 4 片應變片接入電橋。 橋路圖如圖四所示。 其次,考慮到連線導線分布電容的影響及交流電橋的初始平衡性問題(無稱重時電橋輸出應為零),應在橋路中采取調零電路。橋路接法如圖四所示,R5和 C2即是實現調零用的,取 C2=1uF,R5=1.8k。電橋輸出為R=U i RU o =U i K s交流電源頻率選擇為 5KHZ,現使橋路最大輸出為 10mV,則電壓幅值為:U iU o7V22mVV2R1U out41201R3R2120120R5R401201.8k 3Key=AC250%7 Vrms1uF5kHzU0 0°圖四 交流電

10、橋3.2 放大電路的設計由于傳感器輸出的電壓比較小, 因此需對其進行放大使之滿足后續(xù)電路的處理要求。鑒于傳感器輸出可能雜有共模電壓,為此,選取具有高共模抑制比的 AD620 作為放大器來達到凈化信號電壓和充分節(jié)約成本和制造的空間的目的。電路圖如圖五所示。4武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書VCC 5R41.008k 65V VCC7183U1U out6U1out2AD620AR45VEE0VEE-5V圖五 放大電路其放大增益為:G 1+ 49.4k R4為了將 10mV的電壓放大到 10V,需要放大 1000 倍,為此選擇分配級為 50 20 這里放大 50 倍,因此解得 R4=1.

11、008k。3.3 移相器的設計因為電橋電路輸出的電壓對載波信號有一定的超前角,一般為幾度到幾十度,因此在把載波信號作為相敏檢波的參考電壓前需對其進行一定的移相處理圖六為 0-90 °的移相電路。VCC5V6VCCR12C343U2AU2 out50010100uF1Key=A 50%2LM324AD0111VEE4電源電壓 U0-5VVEER14R1310010k| ?0圖六 移相電路5武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書若設 R12調節(jié)后的有效電阻為R,則移相的推導為:&jRC &UjU i1RC& &U kU o 由U& U&

12、&22C2jRCH jU oR&k 122C2U iRtg1RC因為的數量級為104 ,所以可以取 C3=100uF,這樣 R( R12)可以設定在 500范圍,即實現相角在10k, H j1 。 所0-90°移動。上式中 k=110k+100以移相電路不改變幅值。3.4 過零比較器的設計在進行相敏檢波時, 我們更希望參考電壓整形為方波, 這樣便于比較, 因此設置一個過零比較器 LM339 實現這一功能。電路圖如圖七所示。VCC5VVCC3U2 out7U3A01 U3 out6LM339AD12VEE-5VVEE圖七 過零比較器3.5 相敏檢波電路的設計由于采用的交

13、流電壓不能實現對壓力方向的判別,所以要利用相敏檢波的鑒相特性達到這一目的。電路圖如圖八所示。6武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書Q1U3 out2N3370VCC75V0VCCR743U4A1k51U1out92U4outLM324ADVEER811VEE1k8-5VR111k圖八 相敏檢波電路從圖示知道,用 JFET 做開關器件,當U3 out 0 時,其導通, U4A 正極為 0電位,信號從負極輸入,放大倍數為 - R11=-1,此時 U1out 0;當 U3 out 0 時,R8JFET 截止,信號從正極輸入,放大倍數為1,此時 U1out 0。因此,相敏檢波實現了信號的判別,只

14、是與原信號相差一個負號。3.6 低通濾波器的設計由于經過相敏檢波后的電壓還混有高頻載波信號,所以需將其濾掉, 又因為相敏檢波后輸出的電壓與原信號差一個負號,所以選擇反相一階有源低通濾波器,這樣就可以得到真正反映原信號的直流輸出。低通濾波器截止頻率設為40HZ。電路圖如圖九所示。VCC05VVCC43U4AU5 out(接表頭顯示)U4 outR1111322LM324AD50VEE11-5VVEEC14uFR101k圖九 低通濾波電路7武漢理工大學傳感器原理及應用課程設計說明書1若取 R10=1k,則由=40HZ可解得 C1=4uF,另外取 R9=50,2 R10C1則此環(huán)節(jié)實現的放大倍數是-

15、 R10 =-20 ,則實現了放大倍數的另一級分配,也還R9原了原始信號的相位。所以至此,就實現了原始信號的測量處理, 即能夠通過將質量為 0-10kg(也即壓力為 0-100N)的物體作用于彈性元件(等截面梁)并通過應變片使其電阻發(fā)生變化進而使后續(xù)相關電路產生對應的 0-10V 的電壓實現對物體的稱重, 也即 1kg 物體對應 1V 的電壓。將低通濾波后產生的直流電壓接入數顯表頭就可直觀地看出物體質量的大小。4 誤差分析誤差的形成主要來源于溫度誤差,造成溫度誤差的原因主要有以下兩個:1、敏感柵電阻隨溫度變化引起誤差2、試件材料與應變絲材料的線膨脹系數不同,使應變絲產生附加拉長或壓縮,引起電阻變化。這樣的溫度誤差可以通過橋路進行補償,如本設計中的全橋電路就很好地實現了溫度的補償其次,電橋還具有非線性誤差,由于對金屬絲電阻應變片,電橋非線性誤可以忽略,所以也不影響本次設計。最后,對于如同工頻等的干擾, 我們盡量通過電路的優(yōu)化除去干擾,如通過高共模抑制比儀放以及低通濾波器進行改進。因此,從理論上說,本次課設中的誤差還是比較好地得到了控制。5 心得體會通過這次課設,我進一步體會到了工具的重要性,這包括軟件操作工具書等方面。 因為我們不可能學富五車, 因而就有必要翻閱文獻資料, 如設計用到的相關書籍, 標

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