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电阻应变式压力传感器课程设计说明书

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1绪论
1.1概述
传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科, 是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、 控制与自动化技术的飞速发展, 特别是电子信息科学的发展, 极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到, 传感器在日常生活中的运用越来越广泛, 能够说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此, 学习、 研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。

1.2设计任务分析
采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量( 压力) 传感器, 具体要求如下:
1. 正确选取电阻应变片的型号、 数量、 粘贴方式并连接成交流电桥;
2. 选取适当形式的弹性元件, 完成其机械结构设计、 材料选择和受力分析,
3. 并根据测试极限范围进行校核;
4. 完成传感器的外观与装配设计;
5. 完成应变电桥输出信号的后续电路( 包括放大电路、 相敏检波电路、 低通滤波电路) 的设计和相关电路参数计算, 并绘制传感器电路原理图;
6. 按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书( 6000字左右) ;
7. 按机械制图标准绘制弹性元件图( 4号图纸) , 机械装配图各一张( 3号图纸) ;
2方案设计
2.1原理简述
电阻应变式传感器为本课程设计的主要部件, 传感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化为应变片的电阻变化, 再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输出电压, 经过电路输出电压和标准重量的线性关系, 建立具体的数学模型, 在显示表头中将电压( V) 改为质量( kg) 即可实现对物品质量的称重。
本次课程设计所测质量范围是0-10kg, 同时也将后续处理电路的电压处理为与之对应的0-10V。由于采用了交流电桥, 因此后续电路包括放大电路, 相敏检波电路, 移相电路, 波形变换电路, 低通滤波电路( 显示电路本次未设计) 。
原理框图如图一所示。
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 原理框图

2.2应变片检测原理
电阻应变片( 金属丝、 箔式或半导体应变片) 粘贴在测量压力的弹性元件表面上, 当被测压力变化时, 弹性元件内部应力变形, 这个变形应力使应变片的电阻产生变形, 根据所测电阻变化的大小来测量未知压力, 也实现本次设计未知质量的检测。
设一根电阻丝, 电阻率为, 长度为,截面积为S, 在未受力时的电阻值为 R= ----- ①
图二 金属丝伸长后几何尺寸变化
如图二所示, 电阻丝在拉力F作用下, 长度增加, 截面S减少, 电阻率也相应变化, 将引起电阻变化△R, 其值为
=—＋ ----②
对于半径r为的电阻丝, 截面面积S=, 则有=。令电阻丝的轴向应变为, 径向应变为－, 由材料力学可知, 为电阻丝材料的泊松系数, 经整理可得
=( 1+2 ----③
一般把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数, 其表示式为
= ----④
从④能够明显看出, 电阻丝灵敏系数由两部分组成: 受力后由材料的几何尺寸受力引起; 由材料电阻率变化引起的。对于金属丝材料, 项的值比小很多, 能够忽略, 故。大量实验证明, 在电阻丝拉伸比例极限内, 电阻的相对变化与应变成正比, 即为常数。
一般金属丝的=1.7～3.6。④可写成
= ----⑤
2.3弹性元件的选择及设计
本次课设对质量的检测是经过对压力的检测实现的, 因此弹性元件承受物重也即压力, 这就要求弹性元件具有较好的韧性、 强度及抗疲劳性, 经过查设计手册, 决定选取合金结构钢30CrMnSiNi2A, 其抗拉应力是1700Mpa, 屈服强度是1000Mpa, 弹性模量是211Gpa。
同时本次课设选取弹性元件的形式为等截面梁, 其示意图如图三所示

图三 等截面梁
作用力F与某一位置处的应变关系可按下式计算:
式中: ——距自由端为处的应变值;
——梁的长度;
E——梁的材料弹性模量;
b——梁的宽度;
h——梁的厚度。
经过设计, 选取=20mm, =14mm,b=10mm,h=3mm
现校核如下:
因此, 选取是合理的。

2.4应变片的选择及设计
从理论学习中知道, 箔式应变片具有敏感栅薄而宽, 粘贴性能好, 传递应变性能好; 散热性好, 敏感栅弯头横向效应能够忽略; 蠕变, 机械滞后小, 疲劳寿命长等优点, 因此非常适合本次课设的应用。选择4片箔式应变片( BX120-02AA) 阻值为120Ω, 其基底尺寸是( ) 。同时敏感珊的材料选择铂
因为其灵敏系数达, 且其最高工作温度能够达800多摄氏度, 栅长做到0.5mm。
应变片粘贴在距自由端处, R1和R4粘贴在梁的上方承受正应变, R2和R3则与之对应粘贴在下方承受负应变。粘贴剂选择环氧树脂粘贴剂。
基底材料选择胶基, 厚度为0.03mm-0.05mm。
引线材料采用直径为0.15-0.18mm的铬镍金属丝引线。
最后在安装后的应变片和引线上涂上中性凡士林油做防护作用, 以保证应变片工作性能稳定可靠。
这样最大应变为:

因此是符合的。且交流电桥的最大输出输入比为:

3单元电路的设计
3.1电桥电路的设计
为了实现对应变片的温度补偿, 因此选择全桥电路作为测量电路, 将4片应变片接入电桥。桥路图如图四所示。其次, 考虑到连线导线分布电容的影响及交流电桥的初始平衡性问题( 无称重时电桥输出应为零) , 应在桥路中采取调零电路。桥路接法如图四所示, R5和C2即是实现调零用的, 取C2=1uF, R5=1.8kΩ。
电桥输出为
交流电源频率选择为5KHZ,现使桥路最大输出为10mV, 则电压幅值为:

图四 交流电桥

3.2放大电路的设计
由于传感器输出的电压比较小, 因此需对其进行放大使之满足后续电路的处理要求。
鉴于传感器输出可能杂有共模电压, 为此, 选取具有高共模抑制比的AD620作为放大器来达到净化信号电压和充分节约成本和制造的空间的目的。
电路图如图五所示。

图五 放大电路

其放大增益为:

为了将10mV的电压放大到10V, 需要放大1000倍, 为此选择分配级为
这里放大50倍, 因此解得R4=1.008kΩ。

3.3移相器的设计
因为电桥电路输出的电压对载波信号有一定的超前角, 一般为几度到几十度, 因此在把载波信号作为相敏检波的参考电压前需对其进行一定的移相处理
图六为0-90°的移相电路。

图六 移相电路

若设R12调节后的有效电阻为R, 则移相的推导为:

因为的数量级为, 因此能够取C3=100uF,这样R( R12) 能够设定在500Ω范围, 即实现相角在0-90°移动。上式中, 。 因此移相电路不改变幅值。

3.4过零比较器的设计
在进行相敏检波时, 我们更希望参考电压整形为方波, 这样便于比较, 因此设置一个过零比较器LM339实现这一功能。电路图如图七所示。

图七 过零比较器

3.5相敏检波电路的设计
由于采用的交流电压不能实现对压力方向的判别, 因此要利用相敏检波的鉴相特性达到这一目的。
电路图如图八所示。

图八 相敏检波电路

从图示知道, 用JFET 做开关器件, 当＞0时, 其导通, U4A正极为0电位, 信号从负极输入, 放大倍数为, 此时＞0; 当＜0时, JFET截止, 信号从正极输入, 放大倍数为1, 此时＜0。因此, 相敏检波实现了信号的判别, 只是与原信号相差一个负号。

3.6低通滤波器的设计
由于经过相敏检波后的电压还混有高频载波信号, 因此需将其滤掉, 又因为相敏检波后输出的电压与原信号差一个负号, 因此选择反相一阶有源低通滤波器, 这样就能够得到真正反映原信号的直流输出。
低通滤波器截止频率设为40HZ。电路图如图九所示。

图九 低通滤波电路
若取R10=1kΩ, 则由 可解得C1=4uF, 另外取R9=50Ω, 则此环节实现的放大倍数是, 则实现了放大倍数的另一级分配, 也还原了原始信号的相位。
因此至此, 就实现了原始信号的测量处理, 即能够经过将质量为0-10kg( 也即压力为0-100N) 的物体作用于弹性元件( 等截面梁) 并经过应变片使其电阻发生变化进而使后续相关电路产生对应的0-10V的电压实现对物体的称重, 也即1kg物体对应1V的电压。将低通滤波后产生的直流电压接入数显表头就可直观地看出物体质量的大小。

4误差分析
误差的形成主要来源于温度误差, 造成温度误差的原因主要有以下两个:
1、 敏感栅电阻随温度变化引起误差
2、 试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同, 使应变丝产生附加拉长或压缩, 引起电阻变化。
这样的温度误差能够经过桥路进行补偿, 如本设计中的全桥电路就很好地实现了温度的补偿
其次, 电桥还具有非线性误差, 由于对金属丝电阻应变片, 电桥非线性误
能够忽略, 因此也不影响本次设计。
最后, 对于如同工频等的干扰, 我们尽量经过电路的优化除去干扰, 如经过高共模抑制比仪放以及低通滤波器进行改进。
因此, 从理论上说, 本次课设中的误差还是比较好地得到了控制。

5心得体会
经过这次课设, 我进一步体会到了工具的重要性, 这包括软件操作
工具书等方面。因为我们不可能学富五车, 因而就有必要翻阅文献资料, 如设计用到的相关书籍, 标准手册等等。同时, 具备较好的计算机水平也会给我们带来巨大的益处, 比如数学公式的编辑, 图形的绘制等等。但反过来说, 经过这样的课程设计, 也会加深我们对工具的了解和形成对其客观的认识, 我想这对我们以后在工作和生活中有比较好的视野和思维是有巨大帮扶作用的。
总之, 本次课设不但加强了我对传感器的认识, 更重要的是, 它让我掌握了做设计应有的环节与步骤, 也使我懂得了如何去结合理论知识分析解决现实问题, 同时也让我学到了很多以前没有接触到的知识和相关计算机方面的操作。