電阻應(yīng)變式質(zhì)量(壓力)傳感器課程設(shè)計說明書

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 緒論------------------------------------------------------------------------------------------1</p><p>　　1.1 概述---------------------------------------

2、---------------------------------------------------1</p><p>　　1.2 設(shè)計任務(wù)分析------------------------------------------------------------------------------1</p><p>　　2 方案設(shè)計-------------------------

3、-----------------------------------------------------------1</p><p>　　2.1 原理簡述------------------------------------------------------------------------------------1</p><p>　　2.2 應(yīng)變片檢測原理----------

4、-----------------------------------------------------------------2</p><p>　　2.3 彈性元件的選擇及設(shè)計--------------------------------------------3</p><p>　　2.4 應(yīng)變片的選擇及設(shè)計------------------------------------

5、----------4</p><p>　　3 單元電路的設(shè)計--------------------------------------------------4</p><p>　　3.1 電橋電路的設(shè)計--------------------------------------------------5</p><p>　　3.2 放大電路的設(shè)計-----

6、---------------------------------------------5</p><p>　　3.3 移相器的設(shè)計----------------------------------------------------6</p><p>　　3.4 過零比較器的設(shè)計------------------------------------------------7<

7、/p><p>　　3.5 相敏檢波電路的設(shè)計----------------------------------------------7</p><p>　　3.6 低通濾波器的設(shè)計------------------------------------------------8</p><p>　　4 誤差分析--------------------------

8、------------------------------9</p><p>　　5 心得體會--------------------------------------------------------9</p><p>　　參考文獻(xiàn)-----------------------------------------------------------11</p>&

9、lt;p>　　總體電路圖---------------------------------------------------------12</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1概述</b></p><p>　　傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實現(xiàn)信息檢測的一門綜合技術(shù)學(xué)科，是

10、在現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?，F(xiàn)代測量、控制與自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學(xué)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展。同時我們也看到，傳感器在日常生活中的運(yùn)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(xué)習(xí)、研究并在實踐中不斷運(yùn)用傳感器技術(shù)是具有重大意義的。</p><p>　　鑒于此，本次課程設(shè)計力圖通過對常用傳感器的設(shè)計運(yùn)用使我們加深對傳感器的認(rèn)識和理解并逐步使課本上學(xué)習(xí)到

11、的理論知識轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，以培養(yǎng)我們學(xué)以致用的求學(xué)品質(zhì)。</p><p><b>　　1.2設(shè)計任務(wù)分析</b></p><p>　　采用電阻應(yīng)變片設(shè)計一種電阻應(yīng)變式質(zhì)量（壓力）傳感器，具體要求如下：</p><p>　　正確選取電阻應(yīng)變片的型號、數(shù)量、粘貼方式并連接成交流電橋；</p><p>　　選取適當(dāng)形式的彈性

12、元件，完成其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和受力分析，</p><p>　　并根據(jù)測試極限范圍進(jìn)行校核；</p><p>　　完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計；</p><p>　　完成應(yīng)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(shè)計和相關(guān)電路參數(shù)計算，并繪制傳感器電路原理圖；</p><p>　　按學(xué)校課程設(shè)計說明書撰寫規(guī)范提

13、交一份課程設(shè)計說明書（6000字左右）；</p><p>　　按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制彈性元件圖（4號圖紙），機(jī)械裝配圖各一張（3號圖紙）；</p><p><b>　　2方案設(shè)計</b></p><p><b>　　2.1原理簡述</b></p><p>　　電阻應(yīng)變式傳感器為本課程設(shè)計的主要部件，傳感

14、器中的彈性元件感受物體的重力并將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)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，通過電路輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)重量的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，在顯示表頭中將電壓（V）改為質(zhì)量（kg）即可實現(xiàn)對物品質(zhì)量的稱重。</p><p>　　本次課程設(shè)計所測質(zhì)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(yīng)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

15、形變換電路，低通濾波電路（顯示電路本次未設(shè)計）。</p><p>　　原理框圖如圖一所示。</p><p><b>　　圖一 原理框圖</b></p><p>　　2.2應(yīng)變片檢測原理</p><p>　　電阻應(yīng)變片（金屬絲、箔式或半導(dǎo)體應(yīng)變片）粘貼在測量壓力的彈性元件表面上，當(dāng)被測壓力變化時，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變形，這個

16、變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變形，根據(jù)所測電阻變化的大小來測量未知壓力，也實現(xiàn)本次設(shè)計未知質(zhì)量的檢測。</p><p>　　設(shè)一根電阻絲，電阻率為，長度為,截面積為S，在未受力時的電阻值為 R= ----- ①</p><p>　　圖二 金屬絲伸長后幾何尺寸變化</p><p>　　如圖二所示，電阻絲在拉力F作用下，長度增加，截面S減

17、少，電阻率也相應(yīng)變化，將引起電阻變化△R，其值為</p><p>　　=—＋ ----②</p><p>　　對于半徑r為的電阻絲，截面面積S=，則有=。令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?，徑向?yīng)變?yōu)椋?，由材料力學(xué)可知，為電阻絲材料的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得</p><p>　　=（1+2 ----③</p><p>　　通常把

18、單位應(yīng)電所引起的電阻相對變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達(dá)式為</p><p>　　= ----④ </p><p>　　從④可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù)由兩部分組成：受力后由材料的幾何尺寸受力引起；由材料電阻率變化引起的。對于金屬絲材料，項的值比小很多，可以忽略，故。大量實驗證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即為常數(shù)。</p><p>

19、　　通常金屬絲的=1.7～3.6。④可寫成</p><p>　　= ----⑤</p><p>　　2.3彈性元件的選擇及設(shè)計</p><p>　　本次課設(shè)對質(zhì)量的檢測是通過對壓力的檢測實現(xiàn)的，所以彈性元件承受物重也即壓力，這就要求彈性元件具有較好的韌性、強(qiáng)度及抗疲勞性，通過查設(shè)計手冊，決定選取合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A，其抗拉應(yīng)力

20、是1700Mpa，屈服強(qiáng)度是1000Mpa，彈性模量是211Gpa。</p><p>　　同時本次課設(shè)選取彈性元件的形式為等截面梁，其示意圖如圖三所示</p><p><b>　　圖三 等截面梁</b></p><p>　　作用力F與某一位置處的應(yīng)變關(guān)系可按下式計算：</p><p>　　式中： ——距自由端為處的應(yīng)

21、變值；</p><p><b>　　——梁的長度；</b></p><p>　　E——梁的材料彈性模量；</p><p><b>　　b——梁的寬度；</b></p><p><b>　　h——梁的厚度。</b></p><p>　　通過設(shè)計，選取=20

22、mm, =14mm,b=10mm,h=3mm</p><p><b>　　現(xiàn)校核如下：</b></p><p>　　因此，選取是合理的。</p><p>　　2.4應(yīng)變片的選擇及設(shè)計</p><p>　　從理論學(xué)習(xí)中知道，箔式應(yīng)變片具有敏感柵薄而寬，粘貼性能好，傳遞應(yīng)變性能好；散熱性好，敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；蠕變，

23、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合本次課設(shè)的應(yīng)用。選擇4片箔式應(yīng)變片（BX120-02AA）阻值為120Ω，其基底尺寸是（）。同時敏感珊的材料選擇鉑</p><p>　　因為其靈敏系數(shù)達(dá)，且其最高工作溫度可以達(dá)800多攝氏度，柵長做到0.5mm。</p><p>　　應(yīng)變片粘貼在距自由端處，R1和R4粘貼在梁的上方承受正應(yīng)變，R2和R3則與之對應(yīng)粘貼在下方承受負(fù)應(yīng)變。粘貼劑選擇環(huán)

24、氧樹脂粘貼劑。</p><p>　　基底材料選擇膠基，厚度為0.03mm-0.05mm。</p><p>　　引線材料采用直徑為0.15-0.18mm的鉻鎳金屬絲引線。</p><p>　　最后在安裝后的應(yīng)變片和引線上涂上中性凡士林油做防護(hù)作用，以保證應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。</p><p><b>　　這樣最大應(yīng)變?yōu)椋?lt;/

25、b></p><p>　　因此是符合的。且交流電橋的最大輸出輸入比為：</p><p><b>　　3單元電路的設(shè)計</b></p><p>　　3.1電橋電路的設(shè)計</p><p>　　為了實現(xiàn)對應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償，因此選擇全橋電路作為測量電路，將4片應(yīng)變片接入電橋。橋路圖如圖四所示。其次，考慮到連線導(dǎo)線分布電容的

26、影響及交流電橋的初始平衡性問題（無稱重時電橋輸出應(yīng)為零），應(yīng)在橋路中采取調(diào)零電路。橋路接法如圖四所示，R5和C2即是實現(xiàn)調(diào)零用的，取C2=1uF，R5=1.8kΩ。</p><p><b>　　電橋輸出為</b></p><p>　　交流電源頻率選擇為5KHZ,現(xiàn)使橋路最大輸出為10mV，則電壓幅值為：</p><p><b>　　圖

27、四 交流電橋</b></p><p>　　3.2放大電路的設(shè)計</p><p>　　由于傳感器輸出的電壓比較小，因此需對其進(jìn)行放大使之滿足后續(xù)電路的處理要求。</p><p>　　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(dá)到凈化信號電壓和充分節(jié)約成本和制造的空間的目的。</p><p>&

28、lt;b>　　電路圖如圖五所示。</b></p><p><b>　　圖五 放大電路</b></p><p><b>　　其放大增益為：</b></p><p>　　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</p><p>　　這里放大50倍，因此解得

29、R4=1.008kΩ。</p><p><b>　　3.3移相器的設(shè)計</b></p><p>　　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(jìn)行一定的移相處理</p><p>　　圖六為0-90°的移相電路。</p><p><b&

30、gt;　　圖六 移相電路</b></p><p>　　若設(shè)R12調(diào)節(jié)后的有效電阻為R，則移相的推導(dǎo)為：</p><p>　　因為的數(shù)量級為，所以可以取C3=100uF,這樣R（R12）可以設(shè)定在500Ω范圍，即實現(xiàn)相角在0-90°移動。上式中， 。 所以移相電路不改變幅值。</p><p>　　3.4過零比較器的設(shè)計</p>&l

31、t;p>　　在進(jìn)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(shè)置一個過零比較器LM339實現(xiàn)這一功能。電路圖如圖七所示。</p><p><b>　　圖七 過零比較器</b></p><p>　　3.5相敏檢波電路的設(shè)計</p><p>　　由于采用的交流電壓不能實現(xiàn)對壓力方向的判別，所以要利用相敏檢波的鑒相特性達(dá)到這一

32、目的。</p><p><b>　　電路圖如圖八所示。</b></p><p><b>　　圖八 相敏檢波電路</b></p><p>　　從圖示知道，用JFET 做開關(guān)器件，當(dāng)＞0時，其導(dǎo)通，U4A正極為0電位，信號從負(fù)極輸入，放大倍數(shù)為，此時＞0；當(dāng)＜0時，JFET截止，信號從正極輸入，放大倍數(shù)為1，此時＜0。因此，相

33、敏檢波實現(xiàn)了信號的判別，只是與原信號相差一個負(fù)號。</p><p>　　3.6低通濾波器的設(shè)計</p><p>　　由于經(jīng)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(fù)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。</p><p>　　低通濾波器截止頻率設(shè)為40HZ。電路圖如圖九所示。&

34、lt;/p><p><b>　　圖九 低通濾波電路</b></p><p>　　若取R10=1kΩ，則由 可解得C1=4uF，另外取R9=50Ω，則此環(huán)節(jié)實現(xiàn)的放大倍數(shù)是，則實現(xiàn)了放大倍數(shù)的另一級分配，也還原了原始信號的相位。</p><p>　　所以至此，就實現(xiàn)了原始信號的測量處理，即能夠通過將質(zhì)量為0-10kg（也即壓力為0-100N）的物體作

35、用于彈性元件（等截面梁）并通過應(yīng)變片使其電阻發(fā)生變化進(jìn)而使后續(xù)相關(guān)電路產(chǎn)生對應(yīng)的0-10V的電壓實現(xiàn)對物體的稱重，也即1kg物體對應(yīng)1V的電壓。將低通濾波后產(chǎn)生的直流電壓接入數(shù)顯表頭就可直觀地看出物體質(zhì)量的大小。</p><p><b>　　4誤差分析</b></p><p>　　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：</p>

36、<p>　　敏感柵電阻隨溫度變化引起誤差</p><p>　　試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加拉長或壓縮，引起電阻變化。</p><p>　　這樣的溫度誤差可以通過橋路進(jìn)行補(bǔ)償，如本設(shè)計中的全橋電路就很好地實現(xiàn)了溫度的補(bǔ)償</p><p>　　其次，電橋還具有非線性誤差，由于對金屬絲電阻應(yīng)變片，電橋非線性誤</p>&l

37、t;p>　　可以忽略，所以也不影響本次設(shè)計。</p><p>　　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(jìn)行改進(jìn)。</p><p>　　因此，從理論上說，本次課設(shè)中的誤差還是比較好地得到了控制。</p><p><b>　　5心得體會</b></p><p>

38、;　　為期10天的傳感器課設(shè)結(jié)束了，回想起走過的歷程還真是頗有感觸。應(yīng)該說有過彷徨也有過迷惘吧，但此刻收獲的卻是看見自己辛勤勞動出成果后的喜悅，突然間，覺得一切都值了。</p><p>　　在這段子，我去過圖書館翻閱書籍，也重新研讀了教材上的理論知識。古語云：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?！闭娴母杏|頗深，學(xué)習(xí)時，總感覺聽懂了，也就滿足了，進(jìn)而就順其自然地掩卷不思了，哪里想到學(xué)的東西如何運(yùn)用到生產(chǎn)實踐中。可通過

39、課設(shè)，我才恍然大悟，原來真沒那么簡單，任何東西只要與生產(chǎn)生活相掛鉤，那就一定有東西可以挖掘，也就一定有很多知識解決不了現(xiàn)實問題。如此，我才慢慢開始溯本求源，開始從細(xì)微之處肯透知識點(diǎn)，本次課設(shè)何不是如此呢？！敏感柵才多長啊，零點(diǎn)幾毫米，這要是在生活中誰會去在意呢但是到了設(shè)計中，我們就不得不考慮其四兩撥千斤般的作用了，我想也正是通過這些細(xì)微末節(jié)處，才讓我們真切認(rèn)識到知識是多么神圣與重要，我們要有所成就</p><p>

40、;　　就必須認(rèn)真細(xì)心，多學(xué)多思，多把理論知識與實踐生活聯(lián)系起來。</p><p>　　此外，通過這次課設(shè)，我進(jìn)一步體會到了工具的重要性，這包括軟件操作</p><p>　　工具書等方面。因為我們不可能學(xué)富五車，因而就有必要翻閱文獻(xiàn)資料，如設(shè)計用到的相關(guān)書籍，標(biāo)準(zhǔn)手冊等等。同時，具備較好的計算機(jī)水平也會給我們帶來巨大的益處，比如數(shù)學(xué)公式的編輯，圖形的繪制等等。但反過來說，通過這樣的課程設(shè)計，

41、也會加深我們對工具的了解和形成對其客觀的認(rèn)識，我想這對我們以后在工作和生活中有比較好的視野和思維是有巨大幫扶作用的。</p><p>　　總之，本次課設(shè)不僅加強(qiáng)了我對傳感器的認(rèn)識，更重要的是，它讓我掌握了做設(shè)計應(yīng)有的環(huán)節(jié)與步驟，也使我懂得了如何去結(jié)合理論知識分析解決現(xiàn)實問題，同時也讓我學(xué)到了很多以前沒有接觸到的知識和相關(guān)計算機(jī)方面的操作。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)&l

42、t;/b></p><p>　　[1] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊（5）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.</p><p>　　[2] 趙燕.傳感器原理及應(yīng)用.北京：北京大學(xué)出版社，2010.</p><p>　　[3] 嚴(yán)鐘豪，譚祖根.非電量電測技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.</p><p>　　[4] 蔣敦斌，李文英.非電量測量與

43、傳感器應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[5] 王云章.電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.</p><p>　　[6] 張國雄.測控電路.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[7] 康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版).北京：高等教育出版社，2005.</p><p>　　[8