傳感器課程設(shè)計(jì)

1、課課 程程 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 課程名稱 傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)踐 題目名稱 應(yīng)變式荷重傳感器及電路轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)院 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 20010 年 6 月 28 日廣東工業(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)姓 名學(xué) 號(hào)一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容通過設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，掌握傳感器設(shè)計(jì)的一般過程與步驟。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

2、。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：11031105 N； 稱量精度：1 %3、要求設(shè)計(jì)說明書字?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 3-1126 月 21 日2選定傳感器型式和

3、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 2123 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 2526 日4根據(jù)所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路宿舍6 月 27 日5傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路仿真調(diào)試宿舍6 月 28 日6傳感器制作工藝研究工學(xué) 1#-1076 月 29 日7撰寫設(shè)計(jì)說明書宿舍6 月 30 日8分組答辯工學(xué) 1#-1077 月 1 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)

4、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)書日期：2010 年 6 月 21 日 指導(dǎo)教師簽名： （駱德漢、黎勉）（陳益民、查曉春）計(jì)劃完成日期： 2009 年 7 月 2 日 基層教學(xué)單位責(zé)任人簽章：主管院長簽章：主管院長簽章：目錄目錄1.1.壓力測(cè)量的一般方法的比較與選定壓力測(cè)量的一般方法的比較與選定 .3 3壓阻式傳感器 .4壓電式傳感器 .5電容式傳感器 .6應(yīng)變式傳感器

5、.7電感式壓力傳感器.92.2.方案制定方案制定 .1111輪輻式傳感器 .11梁式傳感器 .12環(huán)式傳感器 .13柱式傳感器 .143.3.彈性元件彈性元件 .1717彈性元件的材料 .17彈性元件的要求.17彈性元件的選擇 .18常見的彈性元件.18硬化不銹鋼材料介紹 .18_Toc205028166彈性元件的分析和計(jì)算 .19彈性元件的參數(shù)計(jì)算.193.3.2 截面積的計(jì)算 .203.3.3 柱高 h 及其他尺寸的確定 .214.4.電阻應(yīng)變片的選擇電阻應(yīng)變片的選擇 .2222電阻應(yīng)變片類型的選擇 .22應(yīng)變計(jì)的材料 .22應(yīng)變計(jì)敏感柵的材料.22應(yīng)變計(jì)主要參數(shù)的確定 .24幾何尺寸.2

6、4金屬箔式應(yīng)變片.25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)：.255.5.外殼尺寸確定外殼尺寸確定 .26266 6 測(cè)量電路原理分析及設(shè)計(jì)測(cè)量電路原理分析及設(shè)計(jì).2727電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路的各組成電路： .27電橋電路：.27調(diào)零電路：.276.1.3 手動(dòng)調(diào)幅可調(diào)電路: .28用 MULTISIM實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換電路圖： .29參數(shù)選定： .29關(guān)鍵點(diǎn)理論值與模擬值的計(jì)算 .30用 MATLAB 實(shí)現(xiàn)的 FV 曲線對(duì)比 .317.7.總結(jié)與致謝總結(jié)與致謝 .33338.8.主要參考文獻(xiàn)主要參考文獻(xiàn) .34349.9.附錄附錄 .3434壓力傳感器應(yīng)用廣泛、影響面寬，不只可以測(cè)量力和壓力

7、，也可用于測(cè)量負(fù)荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它們都與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)，所以把這類傳感器稱為力學(xué)量傳感器。傳統(tǒng)的測(cè)量力的方法是利用彈性元件的形變和位移來表示的，其特點(diǎn)是成本低、不需要電源，但體積大、笨重、輸出為非電量。普遍應(yīng)用的有壓阻式、壓電式、電容式、電阻式、電感式等等。近幾年又發(fā)展了微波傳感器、超聲波傳感器、生物傳感器、視覺傳感器、光纖式傳感器等傳感器。以下分別介紹一般常用的傳感器。放大輸出型標(biāo)定級(jí)餅型 微型超小型罐筒型 同軸嵌入型圓環(huán)柱型條型 Z 型S 型汽車工業(yè)用荷重傳感器主要類型 固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。其中半導(dǎo)

8、體電阻材料有結(jié)晶的硅和鍺，摻入雜質(zhì)形成 P 型和 N 型半導(dǎo)體。壓阻式傳感器便是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。圖 1.1 兩種微型壓阻式傳感器的膜片圖 1.2 壓阻式傳感器實(shí)物圖壓電式傳感器以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理。按轉(zhuǎn)換方式可以分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。當(dāng)某些物質(zhì)在外力作用下變形時(shí)，某些相應(yīng)表面上就會(huì)產(chǎn)生異種電荷，去掉外力后又回到不帶電狀態(tài)。這種沒有外電場(chǎng)只是形變產(chǎn)生的極化現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。在這些物質(zhì)上施加電場(chǎng)時(shí)不僅產(chǎn)生極化同時(shí)還產(chǎn)生了應(yīng)力或應(yīng)變，去掉電場(chǎng)后，該物質(zhì)的變形隨之消失，把這種電能變成機(jī)械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)。壓電式傳感器的工作原

9、理是以物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，它是一種發(fā)電式傳感器。 由于壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要功能，加上它的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，固有頻率高，靈敏度和信噪比高、動(dòng)態(tài)特性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，因此，30 多年來壓電式傳感器的應(yīng)用獲得飛躍的發(fā)展。壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點(diǎn)是無靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，許多壓電材料的工作溫度只有 250 度左右。按彈性敏感元件和受力機(jī)構(gòu)的形式，壓電式傳感器可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式壓電傳感器 膜片式壓電傳感器 壓電傳感器實(shí)物圖電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡

10、單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等突出的優(yōu)點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，它所存在的易受干擾和分布電容影響等缺點(diǎn)不斷得以克服，而且還開發(fā)出容柵位移傳感器和集成電容式傳感器。因此它廣泛應(yīng)用于壓力、位移、加速度、液位、成分含量等測(cè)量之中。 電容式傳感器的基本原理可以用平板電容器說明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容 C 為： C=SSor 式中 ，S 和 ，中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容 C。 和 S 的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化； 的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常僅改變 、S 和 之中的一個(gè)參數(shù)來使 C 發(fā)生變化。所以電容式傳感器可分為

11、三種基本類型：變極距(變間隙)()型（如圖 1.5 所示） ，變介電常數(shù)()型（如圖 1.6 所示）和變面積型（S）型（如圖 1.7 所示） 。 A B d0 d1 0 1 圖 1.6 變介電常數(shù)型電容式傳感器 d0 圖 1.5 變極距型電容式傳感器 d a b x (a)角位移式 (b)直線位移式圖1.7 變面積型電容式傳感器圖 1.8 電容式傳感器實(shí)物圖應(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。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。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)。 r

12、 r F L L 圖 1.9 金屬電阻應(yīng)變效應(yīng) 設(shè)有一根長度為 L 的，截面積為 S，電阻率為 的金屬絲，在未受力時(shí)，原始電阻為：R=SL當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力 F 作用時(shí)，將伸長 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：由材料力學(xué)知：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： =0)21 (2kEERR0kLL可見在金屬電阻絲的拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。應(yīng)變式傳感器類型有：金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，金屬薄膜應(yīng)變片三種。 特點(diǎn)： 可測(cè)微應(yīng)變 1-

13、2m，且精度高、性能穩(wěn)定； 尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快；測(cè)量范圍大； 環(huán)境要求不高； 便于多點(diǎn)測(cè)量。 圖 1.10 電阻應(yīng)變片組成圖 圖 1.11 應(yīng)變式傳感器實(shí)物圖ELL 在電感式壓力傳感器中，大都采用變隙式電感作為檢測(cè)元件，它和彈性元件組合在一起構(gòu)電感式壓力傳感器。檢測(cè)元件由線圈、鐵芯、銜鐵組成，銜鐵安裝在彈性元件上。在銜鐵和鐵芯之間存在著氣隙 ，它的大小隨著外力 F 的變化而變化。其線圈的電感 L 可按下式計(jì)算，即L=N2Rm 式中 N 為線圈匝數(shù)；Rm為磁路總磁阻(1H)，表示物質(zhì)對(duì)磁通量所呈現(xiàn)的阻力。磁通量的大小不但和磁勢(shì)有關(guān)，而且也和磁阻的大小有關(guān)；當(dāng)磁勢(shì)一定時(shí)，磁路上的磁阻

14、越大，則磁通量越小。磁路上氣隙的磁阻比導(dǎo)體的磁阻大得多。假設(shè)氣隙是均勻的，且導(dǎo)磁截面與鐵芯的截面相同，在不考慮磁路中的鐵損時(shí)，磁阻可表示為：Rm=AA021式中 l 為磁路長度(m)； 為導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率(Hm)；A 為導(dǎo)磁體的截面積(m2)； 為氣隙|量(m)；0為空氣的導(dǎo)磁率(410-7Hm)。 由于 02D+L (3-7)式中 L 為應(yīng)變片的基長。對(duì)于空心的圓柱為 HD-d+L (3-8)因此，經(jīng)比較分析選取空心圓柱作為彈性體。根據(jù)上表可以比較, 本次的傳感器采用不銹鋼 ICr18Ni9, 查表得 s=1200MPa，E=200GPa。根據(jù)許用應(yīng)力計(jì)算公式 = ，當(dāng)安全系數(shù)取 2 得：ss

15、nsn MPaMPanss60021200根據(jù)公式 (3-5) 得： 27max22117106010000)(4mmFdDS又因?yàn)閼?yīng)變片的應(yīng)變比為 800-2000,取 0=1000 當(dāng)彈性體的應(yīng)變比 1小于 c才不至于損壞應(yīng)變片 ，得到以下關(guān)系式：1=0P2690max20 .501010001020010000mmEFS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= S20 .50 mm為了使傳感器過載 50%時(shí)不至于損壞可是當(dāng)增大其面積：227550%501mmmmS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

16、時(shí)先按照額定載荷 F，根據(jù)材料的參數(shù)求得并由式(3-6)得：42FDdcm96. 2106001000041030622這樣空心管的壁厚為：tcmdD1 . 0)(21為了防止彈性元件受壓時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高 H 應(yīng)當(dāng)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，這里選用彈性元件工作段的長度為：cmDH5 . 76)5 . 22(取 H7cm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： )1 (3)(212limdDEt4130)272. 01 (3108 . 20 . 321101 . 0102002229在超過滿量程 150%的情況下，彈性元件截面中的應(yīng)力為

17、：MPaAF59108 . 234100005 . 15 . 1422因此，受力超過滿量程的 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)力這表明該元件不會(huì)出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。此外，在兩端需有螺紋孔，以便連接螺栓，選用螺孔為 M6，它的許用載荷大于10000N。 電阻應(yīng)變計(jì)簡稱應(yīng)變計(jì)（亦稱為電阻應(yīng)變片或簡稱應(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） ?；资菍㈤L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)

18、結(jié)測(cè)量導(dǎo)線之用。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??； (2)使用溫度范圍比較寬，在-269+350 度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作； (3)適用于各種彈性體材料及彈性結(jié)構(gòu)形式，粘貼操作簡便；(4)價(jià)格便宜。(a)單軸的 (b)測(cè)扭矩的 (c)多軸的(應(yīng)變花) 各種金屬箔式應(yīng)變片(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

19、，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： a 康銅: 電阻溫度系數(shù)較小而且穩(wěn)定，同時(shí)它的 Ko 值對(duì)應(yīng)變值的穩(wěn)定性非常高，不但在變形的彈性范圍 Ko 保持為常熟，在進(jìn)入塑性范圍后，亦基本保持為常數(shù)。所以用康銅作為敏感柵的音變

20、機(jī)，測(cè)量范圍大，可用于大應(yīng)變測(cè)量（達(dá) 22） 。 對(duì)康銅用不同的方法進(jìn)行加工、不同的熱處理、或者改變合金成份的比例，可以改變它的電阻溫度系數(shù)（由負(fù)值到正值有較大的范圍） ，利用這種特性可以制造溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。在靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量時(shí)，康銅的工作溫度達(dá) 300C，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，可用到 400C。它可以在高的流體徑壓力下和核輻射的環(huán)境下工作。 b 鎳鉻合金: 具有較高的電阻率，適于制造小標(biāo)距的應(yīng)變計(jì)。但電阻溫度系數(shù)較大，主要用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，使用溫度可達(dá) 800C。在鎳鉻合金中加入少量的其它金屬或元素，可以改善合金的性能。例如摻入少量的鐵、鋁可制成卡瑪合金（6J22） ，摻入少量的銅、鋁可制成 6J23

21、，使電阻率提高和降低電阻溫度系數(shù)，是指成為更好的適于靜態(tài)測(cè)量的材料。c 鐵鉻鋁合金:其電阻率較高，靈敏系數(shù)較大，而電阻溫度系數(shù)比鎳鉻合金小得多，比銅鎳合金大。d 鐵鎳鉻合金:靈敏系數(shù)較高，可達(dá) 3.6。但由于它的電阻溫度系數(shù)大（比康銅大 6 倍以上） ，同時(shí) Ko值在彈性范圍和塑性范圍時(shí)不一樣（分別為 3.6 和 2.5） ，使其應(yīng)用范圍受到限制，它值適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。結(jié)論結(jié)論：綜上所述，本課程設(shè)計(jì)采用的材料是康銅。幾何尺寸在能夠使得彈性元件的應(yīng)變得到充分響應(yīng)，即可選用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)ns=2。因?yàn)樗x的為塑性材料，則許用應(yīng)力 MPanss60021012006根據(jù) =E 得： 4116110

22、301000. 210600E因?yàn)?56. 010301201 . 241RSRgS根據(jù)，且=2，=120，SSSSRRKSKSRSR所以有4105 .312120756. 0SSSSKRR所以 42105 .31S因?yàn)?；所以應(yīng)取 進(jìn)行計(jì)算。 1 2 14100 .31傳感器受壓軸的截面面積為： 2441111016. 010311000. 210000mEFFA因?yàn)槭芰γ娣e較小，故受壓軸使用圓筒(空心柱式)式結(jié)構(gòu)。傳感器的靈敏系數(shù)的確定（檢驗(yàn)應(yīng)變片的靈敏度是否符合要求） 根據(jù)公式：)2(11EAKFS310其中： 為材料的泊松比；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

23、彈性模量；A1為彈性元件貼片部位的截面積。有HDA1得此傳感器的靈敏系數(shù)為： )2(11EAKFS698. 0101000. 2108 . 234/14. 32100000 . 2272. 01103114223）（因?yàn)?SSg 所以應(yīng)變片的靈敏度符合要求。 箔式應(yīng)變計(jì)的敏感柵是用厚度為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牧硪幻嫱可蠘渲z，經(jīng)過加溫聚合而成，基底的厚度一般為。 圖應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu) 圖 敏感柵的尺寸4.3.34.3.3 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)：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）mmm

24、m材料阻值靈敏度 K基底PB-53*5箔式120縮醛膠基表 4.1 PB-5 應(yīng)變片參數(shù)綜合上述分析計(jì)算，次課程設(shè)計(jì)選用 sf-6 柱式荷重傳感器 sf-6 柱式荷重傳感器實(shí)物圖表 5.1 sf-6 柱式荷重傳感器外形尺寸量程量程11223344H1H2SR4M2648543270542652648543270542651t3064644090703565t30646440907035610t4584885213010555820t4584885213010555825t5510410870150120601030t551041087015012060106 6 測(cè)量電路原理分析及設(shè)計(jì)測(cè)量電路

25、原理分析及設(shè)計(jì)應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)化成電阻的相對(duì)變化 R/R,還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)量儀表進(jìn)行測(cè)量。由于機(jī)械應(yīng)變一般均很小，從而電阻應(yīng)變式的電阻變化范圍也很小，直接測(cè)量出這一微小變化比較困難，所以一般利用橋式測(cè)量電路來精確測(cè)量出這些小的電阻變化。 電橋電路的原理是：如下圖的四臂電橋所示，因?yàn)閼?yīng)變片電阻值變化很小，可以認(rèn)為電源供電電流為常數(shù)，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零。當(dāng)電橋平衡時(shí)，即電橋輸出電壓 V0為零的條件是：R1R3=R2R4。圖 2當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開

26、路。若電橋不平衡時(shí)，即 R1R3R2R4時(shí)，電橋輸出：URRRRRRRRU)(432142310恰好選擇各橋臂電阻，可消除電橋的恒定輸出，使輸出電壓只與應(yīng)變片輸出有關(guān)。單臂電橋時(shí)，令 R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4 為定值電阻，在應(yīng)變片 R1 工作時(shí)，其電阻 R1 變化R,此時(shí)電橋的靈敏度為：ku=U/4電壓輸出為:UO=(U/4)(R1/R1)電橋電路的非線性誤差為：L=R1/2R上面各式表明，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的大小無關(guān)。直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單，傳感器及測(cè)量電路分布參數(shù)影響小，測(cè)量中常用

27、直流電橋。為減少非線性誤差，電橋電路常用的措施為：采用差動(dòng)電橋；采用恒流源電橋。為了提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在橋臂中往往安置兩個(gè)應(yīng)變片，電橋也可采用四臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓為：UO=UR/R所以，本設(shè)計(jì)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。此外，由于在零壓力時(shí)，傳感器大約有 2mV 的不平衡輸出，并且放大器有輸入失調(diào)電壓，因此，用組成的電橋電路進(jìn)行零位調(diào)整。通過改變電位器的值，可改變補(bǔ)償電壓的大小，以使得零壓力時(shí) U0=0V，為了保證足夠的調(diào)整精度，電位器為多圈電位器。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

28、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。具體的電路如圖所示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。電阻應(yīng)變片的電阻 R1,R2,R3,R4 的電阻都為 350 歐。由這四個(gè)電阻組成一個(gè)

29、全橋放大電路。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 R6，R7 和 R14 都電流 IR為IR=(U02-Ui2)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14由此求得 U01 =（1R6/ R14）Ui1R6 Ui2/ R14 U02 =（1R7/ R14）Ui2R7Ui1/ R14于是，輸入級(jí)的輸入電壓，即運(yùn)算放大器 N2

30、與 N1 輸出之差為U02U01 =1（R6R7）/ R14（Ui2-Ui1）其差模增益 Kd為 Kd（U02U01）/（Ui2-Ui1）1（R6R7）/ R14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有關(guān)，而與共模輸出，失調(diào)及漂移均在 R14 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 R6=R7.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=CMRR1CMRR2/CMRR1-CM

31、RR2式中的 CMRR1、CMRR2分別為 N1、N2 的共模抑制比。當(dāng) R10=R11、R12=R13時(shí)，運(yùn)算放大器 N3 的差模增益為 Kd3R12/R10整個(gè)電路的共模抑制比為CMRR=(KdCMRR3 CMRR12)/( KdCMRR3+ CMRR12)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 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

32、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 R15 阻值可將共模增益調(diào)整到最佳點(diǎn)。它的原理是由運(yùn)放 U1，U2 組成第一級(jí)差分式電路，U3 組成第二級(jí)差分式電路。在第一級(jí)電路中，V1，V2 分別加到 U1 和 U2 的同相端，R6,R7 和 R14 組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩運(yùn)放 U1，U2 的兩輸入端形成虛短和虛斷,按照上面的分析，可以計(jì)算出：差模增益 Kd 為 14

33、761RRRKd運(yùn)算放大器 U3 的差模增益：10123RRKd電路的放大增益為：)1 (147610123RRRRRKKAdd所以設(shè)計(jì)的放大電路的放大倍數(shù)為：，試驗(yàn)中，這)1 (14761012RRRRRA個(gè)實(shí)驗(yàn)可以調(diào)節(jié) R14,R15 同時(shí)改變，達(dá)到調(diào)節(jié)增益的目的。而且放大增益很大，有很寬的調(diào)節(jié)范圍。6.2.36.2.3 電路調(diào)零調(diào)幅電路電路調(diào)零調(diào)幅電路如圖所示，通過調(diào)節(jié) R5 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。根據(jù)上述對(duì)運(yùn)算放大電路分析，其輸入級(jí)的差模增益的，14761RRRKd。10123RRKd為使電橋放大

34、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 KdKdKd3=180 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：R6()R7()R10()R12()R14()100K100K20K40K由上表計(jì)算可得出180)25. 21001001 (2040)1 (147610123KKKKKRRRRRKKAdd因此，當(dāng)電橋供電電壓 U=12V 時(shí)，電橋放大電路的輸出電壓范圍為：受拉時(shí)，UoAUid180（5.356853.568）mV0.9642249. 64224V其中，Uid 為電橋輸出電壓。理論計(jì)算

35、：當(dāng)壓力 F=100N 時(shí)，有：MPaPaPabhFl88.46104825. 2)102(1012105 . 7100339233323102232. 021088.46GPaMPaE15624. 0102232. 03500 . 23RKR4310464. 4102232. 02RRK電橋輸出：VUUm3568. 5V10464. 412RR40全橋運(yùn)放輸出：VmVmVU964224. 0224.9643568. 5180UA全橋運(yùn)放同理，當(dāng)壓力 F=1000N 時(shí)，有:, , Mpa8 .468310232. 25624. 1R, VUm568.53全橋VU64224. 9運(yùn)放其它依次類推可以求得。下面是我的一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量表：這個(gè)數(shù)據(jù)表在和前面不同的電橋供電電壓下測(cè)到的。被測(cè)壓力（N）應(yīng)變片的變化量)(R電橋輸出電壓理論值（mV）電橋輸出電壓實(shí)測(cè)值（mV）放大電路輸出理論值（V）放大電路輸出實(shí)測(cè)值（V）10002000300040005000600070008000900010000用用 MATLABMATLAB 實(shí)現(xiàn)