應(yīng)變式荷重傳感器及轉(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(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師2014年1月16日廣東工業(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(zhuān)業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器（計(jì)測(cè)2班）姓名 關(guān)漢記學(xué)號(hào) 3111002389一、 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：0?6X105N； 稱量精度：±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(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3-3016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18~19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20~22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24~25日6傳感器制作工藝研究工學(xué)1#-1076月26日7撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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)出版社，1997年發(fā)出任務(wù)書(shū)日期：2013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：2013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P、長(zhǎng)度為1、橫截面積為S，則在未受力時(shí)，金屬電阻絲的原始電阻為R=P1/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dp，從而引起金屬電阻的變化。關(guān)鍵詞：應(yīng)變式荷重傳感器、應(yīng)變片、電橋AbstractResistancestrainsensorusingresistancestraingaugesdirectlyintotheresistancechangeofthestrainsensorwithawidemeasurementrange,theerrorissmall,highsensitivity,goodlinearityandcanworkinharshenvironments,suchastheadvantages,itiswidelyusedintorque,pressure,acceleration,weight,etc.measurement.Forcesensorhasasimplestructure,smallsize,lightweight,longlifeandotherexcellentfeatures.Thiscourseisdesignedtofocusonthestraingaugeloadsensorworks.Resistancestraineffects:theexternalforcetoametalorsemiconductormaterialtomechanicaldeformation,whentheresistancevalueofthemetalorsemiconductormaterialwillalsochangeoccurs,aphenomenonknownas"resistivestraineffect."Forametalresistancewire,theresistancewassetp,lengthisl,thecross-sectionalareaS,intheunstressed,theoriginalmetalresistancewireresistanceR=pl/S.Whenthemetalresistancewireundertensioneffectwillstretchdl,acorrespondingreductionincross-sectionalareads,theresistivitychangedp,causingmetalresistancechanges.Keywords：straingaugeloadcell,straingaugebridge目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 7\o"CurrentDocument"荷重測(cè)量的一般方法的比較 7\o"CurrentDocument"應(yīng)變式傳感器 7\o"CurrentDocument"壓阻式傳感器 8\o"CurrentDocument"電感式傳感器 8\o"CurrentDocument"電容式傳感器 8\o"CurrentDocument"壓電式傳感器 8傳感器方案的確定 9\o"CurrentDocument"荷重傳感器的主要技術(shù)參數(shù)： 9\o"CurrentDocument"金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 9\o"CurrentDocument"應(yīng)變片的測(cè)量原理 10\o"CurrentDocument"彈性元件 12\o"CurrentDocument"彈性體材料的選擇 12\o"CurrentDocument"對(duì)彈性元件的許用應(yīng)變計(jì)算 13\o"CurrentDocument"電阻應(yīng)變片的選擇 13\o"CurrentDocument"絲式應(yīng)變片 13\o"CurrentDocument"箔式應(yīng)變片 14\o"CurrentDocument"金屬薄膜應(yīng)變片 14\o"CurrentDocument"應(yīng)變片的選擇及應(yīng)變片的許用應(yīng)變驗(yàn)證32] 14\o"CurrentDocument"應(yīng)變片粘貼厚度的計(jì)算 15\o"CurrentDocument"應(yīng)變片的分析 15\o"CurrentDocument"應(yīng)變片的連接方式和應(yīng)變片粘貼方式 16\o"CurrentDocument"受壓軸截面面積的計(jì)算，彈性元件基本尺寸確定 16\o"CurrentDocument"傳感器的靈敏系數(shù)的確定 17\o"CurrentDocument"外殼尺寸確定 17\o"CurrentDocument"聯(lián)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17\o"CurrentDocument"殼體的設(shè)計(jì) 17\o"CurrentDocument"轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試 18\o"CurrentDocument"轉(zhuǎn)換電路方案的選擇 19\o"CurrentDocument"方案的選定與分析計(jì)算 21\o"CurrentDocument"電橋放大電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 21\o"CurrentDocument"電橋放大電路的設(shè)計(jì)與理論分析 22\o"CurrentDocument"電橋放大電路各元件參數(shù)及其輸出電壓的計(jì)算 24\o"CurrentDocument"傳感器精度驗(yàn)證 27\o"CurrentDocument"彈性元件加工精度造成的誤差驗(yàn)證 27\o"CurrentDocument"應(yīng)變片精度和黏貼造成的誤差 31\o"CurrentDocument"放大電路電阻精度造成的誤差 31\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 31\o"CurrentDocument"十.心得體會(huì) 32\o"CurrentDocument"十—.附錄應(yīng)變式傳感器 32引言新技術(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(lèi)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。一.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(lèi)器件或裝置。對(duì)力學(xué)量敏感的期間或裝置種類(lèi)繁多，其中主要有應(yīng)變式、電感式、電容式和壓電式傳感器。圖1.1荷重測(cè)量的一般方法應(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)）.05%FS（FS為滿量程）；對(duì)測(cè)壓傳感器，量程從幾十帕至101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。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、加速度和載荷等參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，精度高0.02—0.1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。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。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。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(lèi)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。二.傳感器方案的確定荷重傳感器的主要技術(shù)參數(shù)：測(cè)力范圍：0?1X105N；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。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p的金屬絲，在未受力時(shí)，原始電阻為:R=pL電阻為:(2-1)HS(2-1)當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)AL，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：NR(2-2)由材料力學(xué)知：半=8由材料力學(xué)知：半=8LAP=KC=KE8P(2-3)其中：兀--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)苧=8+2pg+姑^=(1+2日+兀E片=k?！?k苧(2-4)上式為“應(yīng)變效應(yīng)”的表達(dá)式，K。為金屬電阻的靈敏系數(shù)，通常金屬絲的靈敏系數(shù)K=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0軸向應(yīng)變稱正比。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)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線?；缡髮与娮栩际侥芨心垂瓅技基片徵鼠層電阻蚣式能感拇弓|技圖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（lXb）mm2 120。其中：1--應(yīng)變片的基長(zhǎng)；b一基寬。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：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?？梢韵d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。梁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。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。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)10泅，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(lèi)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：1X103?1X105N，稱量精度：±1%和器件的應(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。三.彈性元件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:強(qiáng)度高，彈性極限高；具有高的沖擊韌性和疲勞極限；彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定；熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；熱膨脹系數(shù)?。痪哂辛己玫臋C(jī)械加工和熱處理性能；具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；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QBe217-4PH不銹鋼恒彈性合金3J53密度gXcm-38.257.808.0屈服極限MPa103018501250彈性模量MPa134X103195X103G=70X103線膨脹系數(shù)a/XSC-i17.610.87.5-8.1泊松比0.320.2720.30機(jī)械品質(zhì)因數(shù)N1000彈性模量溫度系數(shù)35X10-5/C根據(jù)應(yīng)變式荷重傳感器一一柱式傳感器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)3000C/5000C)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3000C(5720F)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17-4PH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。對(duì)彈性元件的許用應(yīng)變計(jì)算由上我們可知17-4PH不銹鋼屈服強(qiáng)度「1.85X109Pa，彈性模量E=1.95X1011Pa，因它為塑性材料，則安全系數(shù)氣=1.2?2.5，取氣=2.5。則許用應(yīng)力：[]=/n=1.85X109Pa/2.5=7.41X108Pa根據(jù)二E￡得：佳1]=:]/E=7.41X108Pa/(1.95X1011Pa)=3.80X10-3電阻應(yīng)變片的選擇金屬電阻應(yīng)變片此類(lèi)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(lèi)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0.003?0.01mm之間，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的優(yōu)點(diǎn)是：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。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。橫向效應(yīng)可以忽略。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，有的能相差幾十歐姆，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-197?317°C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。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-FAE-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(Q)應(yīng)變片基長(zhǎng)(mm)絲柵尺寸基底尺寸靈敏系數(shù)長(zhǎng)X寬全長(zhǎng)X全寬B-FAE-2J-12±12088X0.510.2X0.513X22.1由上得：應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2.1因?yàn)椤鱎s=KXRXs1=2.1X120X3.452X=0.870Q根據(jù)￡=△Rs/Rs，Ks=2.1，△Rs=0.870，Rs=120Q，所以:

￡二△Rs/Rs/Ks=0.955/120/2=4X10-3，則住2]=s=4X10-3,住1]=3.80X10-3，因?yàn)樽?]V住2],所以應(yīng)取住1]=3.80X10-3進(jìn)行計(jì)算。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)L,大2a,故設(shè)Ld=Lj+2a，所以a=(Ld—L「/2=(4—2)/2=1mm，所以基底及粘界劑層的厚度0=a/2=0.5mm。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z1和。2都是主應(yīng)力，垂直于ABCD方向的壓力產(chǎn)生的應(yīng)力z3<<z1和z2，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；z為圓筒壁的厚度，貝UP=p?S=p竺^4 (4-2)作用于圓筒底部軸向力P為：承受軸向壓力P的為圓筒的橫斷面積(圓環(huán)面積)S=氏18因此，軸向應(yīng)力z2為圖4.4nd2pd48(4-3)TOC\o"1-5"\h\zP= 4pd48(4-3)S nl8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P=pdl兩力平衡時(shí)，則\o"CurrentDocument"2N=P=pdl I』、1" (4-4)所以N=四2 (4-5)徑向應(yīng)力z1為Npdb===——1&弟(4-6)比較軸向應(yīng)力2和徑向應(yīng)力1有pdb—1-=_^&=2bPd245(4-7)所以b=2b1 2(4-8)因此，工作應(yīng)變片應(yīng)該沿圓周方向粘貼。應(yīng)變片的連接方式和應(yīng)變片粘貼方式如下面圖片所示：應(yīng)變片粘貼方式 應(yīng)變片的連接方式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(shū)可知：測(cè)力范圍為0?6X105N經(jīng)計(jì)算得=6X108Pa。所以傳感器受壓軸的截面面積為：A=7rX(D2-d2)/4>F/==6X105/(6X108Pa)=100mm2。A>Fm/Es0=6X104/(200X109X1000X10-6)=300mm2。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，高度H不可太短，圓柱式一般為H=(2?2.5)D,而圓筒式則可適當(dāng)短一些。受力面積大于300mm2,故可取外徑D=40mm,d=32mm,面積A=452mm2,H=82mmo傳感器的靈敏系數(shù)的確定根據(jù)公式：S=(1+2p)KXF/(2AXE)X103其中：M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=(1+2X0.272)X2.1X6X105/(2X4.52X10-4X2X1011)X103=1.076因?yàn)镾VSg=2.1，所以應(yīng)變片的靈敏度符合要求。六.外殼尺寸確定聯(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，有：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=3mm。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M1螺釘，螺釘工作長(zhǎng)度為3?25mm，選8mm。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(LY12)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(LY12)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(65Mn)作為受壓元件的材料。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，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。R10R1iaanR4i2on_J_V11.轉(zhuǎn)換電路方案的選擇巖土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:>R13<i2an5R14iaan電橋的輸出式為：「叫一電橋的平衡條件為*%=%%。>R17 >R13<i2on <i2onRR)U/[(R+R)(R+R)]23 1 2 3 4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)(ARi/Ri)U/(1+R2設(shè)橋臂比hnR/%，由于電橋和始平衡/Ri+ARi/Ri)(1時(shí)有RR=RR，14 23+R4/R3)略去分母中的△R/R1 1可得：U=n(^R/R)U/(1+n)2電橋靈敏度定義為Ku=Uo/^Ri/Ri，可得單臂工作應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度K=nU/(1+n)2u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。K與橋臂比n有關(guān)。當(dāng)n=1時(shí)有U=(AR/R)U/4 K=U/4u o 11 u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：若△若△R1=AR2，R1=R2，?3=R?，則上式簡(jiǎn)化為：Uo=AR2Uo=E R2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應(yīng)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R=R=R=R，△R=AR=AR=AR，則輸出電壓為：1 2 3 4 1 2 3 4

Uo=E竺R1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)。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)閼?yīng)變電阻為120。，得：2R+2AR-2R+2AR' AR+AR' TTU= U= U0 4R+2AR-2AR' 2R+AR-AR'因?yàn)閨e|=p￡和^R=ks日，而左R’=pAR，故(1+日)AR (1+日)AR^^2R+AR(1-.)~—2R一當(dāng)R為120。，U=5V，查表，不銹鋼的|J=0.272，A=4.52*10-4mm2E=200GPaAR=k&R=kRE=kR二。則有:UoUx(1UoUx(1+u)2Rx(kxRxaFe)=0.0422V當(dāng)最大輸入負(fù)載F=6X105N時(shí)，輸出電壓值為42.212mV式中：k——應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；F——負(fù)載的壓力。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(lèi)。1、 單端輸入電橋放大電路的特點(diǎn)為：其增益與橋臂電阻無(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0是非線性關(guān)系，只有當(dāng)0<<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)0<<1時(shí)，Uo與0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，則增益也有漂移，故要充分注意影響共模抑制比CMRR的放大器周?chē)娮璧姆€(wěn)定性。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N「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N「N2的共模信號(hào)，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。此放大電路具有輸入阻抗高、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％*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)放差分放大電路。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)?八、、?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；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；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=R、R=R、R=R，故可導(dǎo)出兩級(jí)差?？傇鲆鏋椋? 2 3 4 5 6a=、=jg]土vdu,]-u2 "Rp)R3通常，第一級(jí)增益要盡量高，第二級(jí)增益一般為1~2倍，這里第一級(jí)選擇100倍，第二級(jí)為1倍。則取R=R=R=R=10K。，要求匹配性好，一般用金屬膜精3 4 5 6密電阻，阻值可在10K。?幾百K。間選擇。則Ad=(Rp+2R1)/Rp先定Rp，通常在1K。?10K。內(nèi)，這里取Rp=1K。，則可由上式求得R1=99Rp/2=49.5K。取標(biāo)稱值51K。。通常R和R不要超過(guò)R/2，這里選R=R=510。，用S1S2 P S1S2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:IfLoR1120QR31200R1312QQ?R2：120￡l，R4j2onR1412onR1S120QR19

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10k￡lR6■VvVi(jgR9100kn'r：50k￡lIS__ VDDIfLoR1120QR31200R1312QQ?R2：120￡l，R4j2onR1412onR1S120QR19

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10k￡lR6■VvVi(jgR9100kn'r：50k￡lIS__ VDD-15V電橋放大電路各元件參數(shù)及其輸出電壓的計(jì)算為使電橋放大電路的輸出電壓范圍保證在0?10V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=350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%）R8(。)r15(。)r20(。)R7(。)R」。）100K100K10K50K4.33K由上表計(jì)算可得出放大倍數(shù)A=236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：0-42.212mv當(dāng)壓力F=600000N時(shí)，有：彈性元件受力面積A0=tiX(D2-d2)/4=3.14X(402-322)/4m2=4.52X10-4m2Z=F/A=600000/4.52X10-4(N/mm2)=1327.4MPa0g=Z/E=1.3274X109/(2X1011)=6.637X10-3縱向電阻變化：AR=KXRXg=2X120X6.637X10-3。=1.59。橫向電阻變化：AR1=-uAR=-0.272X1.59。=-0.432。電橋輸出:U=42.212mV0運(yùn)放輸出：Uut=236X42.212mV=9.96V其它依次類(lèi)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U0（mv）放大電路電壓輸出Uout（v）F縱向△R橫向△R理論實(shí)際理論實(shí)際60000.159-0.0434.2214.2200.9961.0801200000.318-0.0858.4428.4401.9922.1611800000.477-0.13012.66412.5652.9873.2172400000.636-0.17316.88517.0003.9854.0123000000.795-0.21621.10620.9984.9814.9563600000.954-0.25925.32725.2015.9775.9474200001.113-0.30229.54829.0036.9736.8454800001.272-0.34633.77032.9947.9707.7875400001.431-0.38937.99137.7098.9668.8996000001.59-0.43242.21242.0029.9629.960表6-1壓力理論值與實(shí)際值的比較用MATLAB實(shí)現(xiàn)的F—V特性圖matlab程序1、壓力matlab程序：f=[10000:10000:100000];v1=[4.221、8.442、12.664、16.885、21.106、25.327、29.548、33.770、37.991、42.212];V1=[4.220、8.440、12.565、17.000、20.998、25.201、29.003、32.994、37.709、42.002];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=[0.996、1.992、2.987、3.985、4.981、5.977、6.973、7.970、8.966、9.962];V2=[1.080、2.161、3.217、4.012、4.956、5.947、6.845、7.787、8.899、9.960];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(shū)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。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IT8，這說(shuō)明外徑D=39.961~40.039mm，d=31.961~32.039mm運(yùn)算放大器放大倍數(shù)A=234?238當(dāng)Dj39.961mm，dj32.039mm，此時(shí)彈性元件厚度最?。寒?dāng)壓力F=600000N時(shí)，有：彈性元件受力面積A1=nX(D12-d12)/4=3.14X(39.9612-32.0392)/4m2=4.48X1081=F/A1=600000/4.48X10-4(N/mm2)=1339.3MPag1=1/E=1.339X109/(2X1011)=6.697X10-3縱向電阻變化：AR=KXRXg：2X120X6.697X10-3。=1.61。橫向電阻變化：AR1=-uAR=-0.272X1.61Q=-0.438。電橋輸出：U01=42.589mV運(yùn)放輸出：Uout1=238X42.589mV=10.136V(取最大放大倍數(shù))當(dāng)D=40.039mm，d=31.961mm，此時(shí)彈性元件厚度最厚當(dāng)壓力F=600000N時(shí)，有：彈性元件受力面積A2=nX(D22-d22)/4=3.14X(40.0392-31.9612)/4m2=4.57X10-皿=F/A=600000/4.57X10-4(N/mm2)=1312.9MPa2 2g2=2/E=1.312X109/(2X1011)=6.565X10-3縱向電阻變化：AR4=KXRXg2=2X120X6.565X10-3。=1.58。橫向電阻變化：AR1=-uAR=-0.272X1.58Q=-0.430。電橋輸出：U02=41.751mV運(yùn)放輸出：Uouti=234X41.751mV=9.770V（取最小放大倍數(shù)）由此算出彈性元件的誤差為1.9%測(cè)試數(shù)據(jù)如下：傳感器厚度最?。―i=39.961,di=32.039，放大倍數(shù)最大（A=238）壓力（N）應(yīng)變片的變化量（歐）電橋輸出電壓U0（mv）放大電路電壓輸出頃七（v）F縱向△R橫向△R理論實(shí)際理論實(shí)際60000.161-0.0444.2594.2201.0141.0801200000.322-0.0888.5188.5402.0272.0611800000.483-0.13112.77712.6653.0413.0172400000.644-0.17617.03617.0004.0544.0523000000.805-0.21921.29520.9985.0685.0763600000.966-0.26325.55325.2016.0826.0774200001.217-0.30729.81229.7037.0957.0654800001.288-0.35034.07133.9948.1098.1875400001.449-0.39438.33038.5099.1229.1296000001.61-0.43842.58942.50210.13610.160表6-1壓力理論值與實(shí)際值的比較用MATLAB實(shí)現(xiàn)的F—V特性圖matlab程序：f=[10000:10000:100000];v1=[4.259、8.518、12.777、17.036、21.295、25.553、29.812、34.071、38.330、42.589];V1=[4.220、8.540、12.665、17.000、20.998、25.201、29.703、33.994、38.509、42.502];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=[1.014、2.027、3.041、4.054、5.068、6.082、7.095、8.109、9.122、10.136];V2=[1.080、2.061、3.017、4.052、5.076、6.077、7.065、8.187、9.129、10.160];subplot(122);plot(f,v2,f,V2,'r--');xlabel('F/N');ylabel('V');title('差動(dòng)輸出