电阻应变式压力传感器课程设计说明书6505.docx

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1、武汉理工大学传感器原理及应用课程设计说明书1绪论1.1概述述传感器技术术是利用各各种功能材材料实现信信息检测的的一门综合合技术学科科，是在现现今科学领领域中实现现信息化的的基础技术术之一。现现代测量、控控制与自动动化技术的的飞速发展展，特别是是电子信息息科学的发发展，极大大地促进了了现代传感感器技术的的发展。同同时我们也也看到，传传感器在日日常生活中中的运用越越来越广泛泛，可以说说它已成为为了测试测测量不可或或缺的环节节。因此，学学习、研究究并在实践践中不断运运用传感器器技术是具具有重大意意义的。1.2设计计任务分析析采用电阻应应变片设计计一种电阻阻应变式质质量（压力力）传感器器，具体要要求如

2、下：1. 正确选取电电阻应变片片的型号、数数量、粘贴贴方式并连连接成交流流电桥；2. 选取适当形形式的弹性性元件，完完成其机械械结构设计计、材料选选择和受力力分析，3. 并根据测试试极限范围围进行校核核；4. 完成传感器器的外观与与装配设计计；5. 完成应变电电桥输出信信号的后续续电路（包包括放大电电路、相敏敏检波电路路、低通滤滤波电路）的的设计和相相关电路参参数计算，并并绘制传感感器电路原原理图；6. 按学校课程程设计说明明书撰写规规范提交一一份课程设设计说明书书（60000字左右右）；7. 按机械制图图标准绘制制弹性元件件图（4号号图纸），机机械装配图图各一张（33号图纸）；2方案设计计2

3、.1原理理简述电阻应变式式传感器为为本课程设设计的主要要部件，传传感器中的的弹性元件件感受物体体的重力并并将其转化化为应变片片的电阻变变化，再利利用交流全全桥测量原原理得到一一定大小的的输出电压压，通过电电路输出电电压和标准准重量的线线性关系，建建立具体的的数学模型型，在显示示表头中将将电压（VV）改为质质量（kgg）即可实实现对物品品质量的称称重。本次课程设设计所测质质量范围是是0-100kg，同同时也将后后续处理电电路的电压压处理为与与之对应的的0-10VV。由于采采用了交流流电桥，所所以后续电电路包括放放大电路，相相敏检波电电路，移相相电路，波波形变换电电路，低通通滤波电路路（显示电电路

4、本次未未设计）。原理框图如如图一所示示。数显表头过零比较器相敏检波移相器放大器5KHZ交流交流电桥电阻应变片（质量）压力低通滤波图一 原理理框图 22.2应变变片检测原原理电阻应变片片（金属丝丝、箔式或或半导体应应变片）粘粘贴在测量量压力的弹弹性元件表表面上，当当被测压力力变化时，弹弹性元件内内部应力变变形，这个个变形应力力使应变片片的电阻产产生变形，根根据所测电电阻变化的的大小来测测量未知压压力，也实实现本次设设计未知质质量的检测测。设一根电阻阻丝，电阻阻率为，长长度为,截截面积为SS，在未受受力时的电电阻值为 R= - 图二 金属属丝伸长后后几何尺寸寸变化如图二所示示，电阻丝丝在拉力FF作

5、用下，长长度增加，截截面S减少少，电阻率率也相应变变化，将引引起电阻变变化R，其值值为=-对于半径rr为的电阻阻丝，截面面面积S=，则有=。令电阻阻丝的轴向向应变为，径径向应变为为，由材料力力学可知，为为电阻丝材材料的泊松松系数，经经整理可得得=（1+22-通常把单位位应电所引引起的电阻阻相对变化化称为电阻阻丝的灵敏敏系数，其其表达式为为= -从可以明明显看出，电电阻丝灵敏敏系数由两两部分组成成：受力后后由材料的的几何尺寸寸受力引起起；由材料料电阻率变变化引起的的。对于金金属丝材料料，项的值值比小很多多，可以忽忽略，故。大大量实验证证明，在电电阻丝拉伸伸比例极限限内，电阻阻的相对变变化与应变变

6、成正比，即即为常数。通常金属丝丝的=1.73.6。可写成=-2.3弹性性元件的选择及设计计本次课设对对质量的检检测是通过过对压力的的检测实现现的，所以以弹性元件件承受物重重也即压力力，这就要要求弹性元元件具有较较好的韧性性、强度及及抗疲劳性性，通过查查设计手册册，决定选选取合金结结构钢300CrMnnSiNii2A，其其抗拉应力力是17000Mpaa，屈服强强度是10000Mppa，弹性性模量是2211Gppa。同时本次课课设选取弹弹性元件的的形式为等等截面梁，其其示意图如如图三所示示图三 等截截面梁作用力F与与某一位置置处的应变变关系可按按下式计算算：式中：距自由端端为处的应应变值；梁的长长

7、度； E梁的材材料弹性模模量； b梁的宽度； h梁的厚厚度。通过设计，选选取=200mm,=14mmm,b=110mm,h=3mmm现校核如下下： 因此，选选取是合理理的。2.4应变变片的选择择及设计从理论学习习中知道，箔箔式应变片片具有敏感感栅薄而宽宽，粘贴性性能好，传传递应变性性能好；散散热性好，敏敏感栅弯头头横向效应应可以忽略略；蠕变，机机械滞后小小，疲劳寿寿命长等优优点，所以以非常适合合本次课设设的应用。选选择4片箔箔式应变片片（BX1120-002AA）阻阻值为1220，其基底底尺寸是（）。同时敏敏感珊的材材料选择铂铂因为其灵敏敏系数达，且其最高工工作温度可可以达800多摄摄氏度，栅

8、栅长做到00.5mmm。应变片粘贴贴在距自由由端处，RR1和R44粘贴在梁梁的上方承承受正应变变，R2和和R3则与与之对应粘粘贴在下方方承受负应应变。粘贴贴剂选择环环氧树脂粘粘贴剂。基底材料选选择胶基，厚厚度为0.03mmm-0.005mm。引线材料采采用直径为为0.155-0.118mm的的铬镍金属属丝引线。最后在安装装后的应变变片和引线线上涂上中中性凡士林林油做防护护作用，以以保证应变变片工作性性能稳定可可靠。这样最大应应变为：因此是符合合的。且交流流电桥的最最大输出输输入比为：3单元电路路的设计3.1电桥桥电路的设设计 为了实实现对应变变片的温度度补偿，因因此选择全全桥电路作作为测量电电

9、路，将44片应变片片接入电桥。桥路图图如图四所所示。其次次，考虑到到连线导线线分布电容容的影响及及交流电桥桥的初始平平衡性问题题（无称重重时电桥输输出应为零），应应在桥路中中采取调零零电路。桥桥路接法如如图四所示示，R5和和C2即是是实现调零零用的，取取C2=11uF，RR5=1.8k。 电桥输输出为 交流流电源频率率选择为55KHZ,现使桥路路最大输出出为10mmV，则电电压幅值为为：图四 交流流电桥3.2放大大电路的设设计由于传感器器输出的电电压比较小小，因此需需对其进行行放大使之之满足后续续电路的处处理要求。鉴于传感器器输出可能能杂有共模模电压，为为此，选取取具有高共共模抑制比比的AD6

10、620作为为放大器来来达到净化化信号电压压和充分节节约成本和和制造的空空间的目的的。电路图如图图五所示。图五 放大大电路其放大增益益为： 为为了将100mV的电电压放大到到10V，需需要放大11000倍倍，为此选选择分配级级为这里放大550倍，因因此解得RR4=1.008kk。3.3移相相器的设计计因为电桥电电路输出的的电压对载载波信号有有一定的超超前角，一一般为几度度到几十度度，因此在在把载波信信号作为相相敏检波的的参考电压压前需对其其进行一定定的移相处处理图六为0-90的移相电电路。 图图六 移相相电路若设R122调节后的有有效电阻为为R，则移相的的推导为：因为的数量量级为，所所以可以取取

11、C3=1100uFF,这样RR（R122）可以设设定在5000范围，即即实现相角角在0-990移动。上上式中，。 所以以移相电路路不改变幅幅值。 33.4过零零比较器的的设计在进行相敏敏检波时，我我们更希望望参考电压压整形为方方波，这样样便于比较较，因此设设置一个过过零比较器器LM3339实现这这一功能。电电路图如图图七所示。图七 过零零比较器3.5相敏敏检波电路路的设计由于采用的的交流电压压不能实现现对压力方方向的判别别，所以要要利用相敏敏检波的鉴鉴相特性达达到这一目目的。电路图如图图八所示。图八 相敏敏检波电路路从图示知道道，用JFFET 做做开关器件件，当00时，其导导通，U44A正极为

12、为0电位，信信号从负极极输入，放放大倍数为为，此时00；当00时，JFFET截止止，信号从从正极输入入，放大倍倍数为1，此此时0。因因此，相敏敏检波实现现了信号的的判别，只只是与原信信号相差一一个负号。3.6低通通滤波器的的设计由于经过相相敏检波后后的电压还还混有高频频载波信号号，所以需需将其滤掉掉，又因为为相敏检波波后输出的的电压与原原信号差一一个负号，所所以选择反反相一阶有有源低通滤滤波器，这这样就可以以得到真正正反映原信信号的直流流输出。低通滤波器器截止频率率设为400HZ。电电路图如图图九所示。图九 低通通滤波电路路 若取R110=1kk，则由 可可解得C11=4uFF，另外取取R9=

13、550，则此环环节实现的的放大倍数数是，则实实现了放大大倍数的另另一级分配配，也还原原了原始信信号的相位位。 所以至此此，就实现现了原始信信号的测量量处理，即即能够通过过将质量为为0-100kg（也也即压力为为0-1000N）的的物体作用用于弹性元元件（等截截面梁）并并通过应变变片使其电电阻发生变变化进而使使后续相关关电路产生生对应的00-10VV的电压实实现对物体体的称重，也也即1kgg物体对应应1V的电电压。将低低通滤波后后产生的直直流电压接接入数显表表头就可直直观地看出出物体质量量的大小。4误差分析析误差的形成成主要来源源于温度误误差，造成温度度误差的原原因主要有有以下两个个：1、 敏感

14、栅电阻阻随温度变变化引起误误差2、 试件材料与与应变丝材材料的线膨膨胀系数不不同，使应应变丝产生生附加拉长长或压缩，引引起电阻变变化。 这样的温温度误差可可以通过桥桥路进行补补偿，如本本设计中的的全桥电路路就很好地地实现了温温度的补偿偿其次，电桥桥还具有非非线性误差差，由于对对金属丝电电阻应变片片，电桥非非线性误可以忽略，所所以也不影影响本次设设计。 最最后，对于于如同工频频等的干扰扰，我们尽尽量通过电电路的优化化除去干扰扰，如通过过高共模抑抑制比仪放放以及低通通滤波器进进行改进。 因此，从从理论上说说，本次课课设中的误误差还是比比较好地得得到了控制制。5心得体会会通过这次课课设，我进进一步体

15、会会到了工具具的重要性性，这包括括软件操作作工具书等方方面。因为为我们不可可能学富五五车，因而而就有必要翻翻阅文献资资料，如设设计用到的的相关书籍籍，标准手册等等等。同时，具具备较好的的计算机水水平也会给给我们带来来巨大的益益处，比如如数学公式式的编辑，图图形的绘制制等等。但但反过来说说，通过这这样的课程程设计，也也会加深我我们对工具具的了解和和形成对其其客观的认认识，我想想这对我们们以后在工工作和生活活中有比较较好的视野野和思维是是有巨大帮帮扶作用的的。 总总之，本次次课设不仅仅加强了我我对传感器器的认识，更更重要的是是，它让我我掌握了做做设计应有有的环节与与步骤，也也使我懂得得了如何去去结合理论论知识分析析解决现实实问题，同同时也让我我学到了很很多以前没没有接触到到的知识和和相关计算算机方面的的操作。9