电阻应变式拉力传感器及转换电路设计.docx

课 程 设 计

课程名称 传感器设计与实践
题目名称 电阻应变式拉力传感器及转换电路设计

广东工业大学课程设计任务书
“传感器设计与实践”之一

一、课程设计的内容
通过“传感器设计与实践”课程设计，掌握传感器设计的一般过程与步骤。具体内容包括：了解拉力测量的一般方法；制定利用应变式传感器测量拉力的方案；利用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析与计算；利用CAD软件进行拉力传感器的结构设计与零件设计；设计传感器转换电路，并进行电路调试或仿真。
二、课程设计的要求与数据
1、本实践环节，采用以教学辅导、学生自主设计、自主实验的教学形式。
2、传感器技术参数：
测力范围：2×103～5×104 N； 称量精度：±1 %
3、要求设计说明书字数不少于5000字。
三、课程设计应完成的工作
1、了解拉力测量的一般方法，制定利用应变式传感器测量拉力的方案；
2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸；
3、应变式拉力传感器结构设计；绘制传感器装配图和部分零件图；
4、传感器转换电路的设计和仿真调试；
5、编制设计说明书。
四、课程设计进程安排
序号
设计各阶段内容
答疑地点
起止日期
1
布置设计任务。学生查找相关资料
教1-308
1月12日
2

工学1-107
1月13~14日
3

工学1-107
1月14~18日
4

工学1-107
1月18日
5

工学1-107
1月18~21日
6

工学1-107
1月21日
7

工学1-107
1月21~22日
8

工学1-107
1月23日
五、应收集的资料及主要参考文献
1、李科杰．新编传感器技术手册（M）．国防工业出版社，2002年
2、强锡富．传感器（第3版）（M）．机械工业出版社，2001年
3、丁镇生．传感器及传感技术应用（M）．电子工业出版社，1999年
4、黄继昌．传感器工作原理及应用实例（M）．人民邮电出版社，1998年
5、陈尔绍．传感器实用装置制作集锦（M）．人民邮电出版社，2000年
6、黄贤武．传感器实际应用电路设计（M）．电子科技大学出版社，1997年

发出任务书日期：2015年1月12日 指导教师签名： 陈益民、黎勉、查晓春

计划完成日期： 2015年1月23日 基层教学单位责任人签章：

主管院长签章：
1. 目录：
2. 绪 论减 62.1. 相关背景减 62.2. 设计概述减 73. 设计的目的和意义减 83.1. 设计目的减 83.2. 设计意义减 84. 测量原理及其特点减 84.1. 测量的原理减 84.2. 测量特点减 105. 传感器结构设计减 105.1. 几种传感器的比较及选定减 105.2. 弹性元件材料的选定及要求减 145.3. 应变片的比较及选定减 165.4. 应变片材料的选定及要求减 175.5. 联接结构的设计减 195.6. 壳体的设计减 205.7. 防尘的设计减 206. 相关理论分析计算和部件的设计减 216.1. 基本的理论分析减 216.2. 弹性元件的尺寸设计减 226.3. 应变片的计算减 236.4. 应变校验 减 237. 装配图和零件图设计（见附录）减 248. 测控电路设计及计算减 248.1. 转换电路设计减 248.2. 电桥转换电路减 248.3. 放大电路和共模抑制电路减 259. 电路的调试与仿真减 269.1. 电路的仿真调试及分析减 269.2. 用MATLAB实现的输出特性曲线减 3010. 传感器的标定减 3111. 总结减 32绪 论
2.1. 相关背景
2.2. 设计概述
3. 设计的目的和意义
3.1. 设计目的
3.2. 设计意义
4. 测量原理及其特点
4.1. 测量的原理
4.2. 测量特点
5. 传感器结构设计
5.1. 几种传感器的比较及选定

类型
负载能力
精度
线性度
工艺性
体积
柱式
大
较高
较好
简单
大
轮辐式
大
高
好
较复杂
较小
梁式
小
高
较好
简单
小
环式
较大
高
好
较复杂
小

5.2. 弹性元件材料的选定及要求

材料
铍青铜QBe2
17－4PH不锈钢
恒弹性合金3J53
密度g×cm-3
8.25
7.80
8.0
屈服极限MPa
1030
1850
1250
弹性模量MPa
134×103
195×103
G=70×103
线膨胀系数
at/×10-6℃-1
17.6
10.8
7.5－8.1
泊松比
0.32
0.272
0.30
机械品质因数
-
-
≥1000
弹性模量温度系数
35×10-5/℃
-
-
5.3. 应变片的比较及选定
5.4. 应变片材料的选定及要求

材料名称
化学成分%
电阻率

电阻温度系数/

灵敏系数
最高使用温度/℃
特点
康铜
Cu55, Ni45
0.45~0.52
±20
2.0
300~350
最常用，尤适用长时间、大应变测量
镍铬合金
Ni80, Cr20
1.0~1.1
110~130
2.1~2.3
静态450
动态800
多用于动态测量
卡玛合金6J22
Ni75,Cr20,
Al3,Fe3
1.24~1.42
±20
2.4~2.6
静态300~400
用作中高温应变片
伊文合金6J23
Ni75,Cr20,
Al3,Fe2
1.24~1.42
±20
2.4~2.6
静态300~400
铁铬铝
合金
Fe余量
Cr26
Al5.4
1.3~1.5
±30~40
2.6
静态500~800
动态800~1000
用作高温应变片
铂钨合金
Pt90.5~91.5
W8.5~9.5
0.74~0.76
139~192
3．0~3.2
静态800
动态1000

基底材料
下限
上限（长期工作）
上限（短时工作）
纸
-20
70
100
5.5. 联接结构的设计
5.6. 壳体的设计
5.7. 防尘的设计
6. 相关理论分析计算和部件的设计
6.1. 基本的理论分析
6.2. 弹性元件的尺寸设计
6.3. 应变片的计算

标称电阻
栅长
宽
结构形式
灵敏系数
最大工作电流
工作温度
60～3000Ω
0.6～50mm
1～8mm
——
2.00～2.12
25mA
-30-150℃
6.4. 应变校验
7. S 装配图和零件图设计（见附录）
8. 测控电路设计及计算
8.1. 转换电路设计
8.2. 电桥转换电路
8.3. 放大电路和共模抑制电路
9. 电路的调试与仿真
9.1. 电路的仿真调试及分析

参数计算
理论计算值
实际测量值

E
(V)
F
（kN）
△R1
△R2
R1
(轴向）
R2
（径向）
Uo(mV)
U (V)
Uo(mV）
U(V)
转换精度
12
0
0.000
0.000
120.000
120.000
0.0000
0.0000
0
0
0.00%
12
5
0.061
-0.017
120.061
119.983
3.8932
0.3932
3.883
0.392
0.03%
12
10
0.122
-0.033
120.122
119.967
7.7864
0.7864
7.783
0.786
0.01%
12
15
0.184
-0.050
120.184
119.950
11.6795
1.1796
11.673
1.178
0.04%
12
20
0.245
-0.067
120.245
119.933
15.5727
1.5728
15.561
1.571
0.05%
12
25
0.306
-0.083
120.306
119.917
19.4659
1.9661
19.448
1.963
0.08%
12
30
0.367
-0.100
120.367
119.900
23.3591
2.3593
23.333
2.355
0.11%
12
35
0.428
-0.117
120.428
119.883
27.2522
2.7525
27.217
2.747
0.14%
12
40
0.490
-0.133
120.490
119.867
31.1454
3.1457
31.099
3.139
0.17%
12
45
0.551
-0.150
120.551
119.850
35.0386
3.5389
34.98
3.531
0.20%
12
50
0.612
-0.167
120.612
119.833
38.9318
3.9321
38.878
3.923
0.23%

参数计算
理想情况下的输出
实际测量值

E
(V)
F
（kN）
△R1
△R2
R1
(轴向）
R2
（径向）
Uo(mV)
U (V)
Uo(mV）
U(V)
转换精度
12
0
0.000
0.000
120.000
120.000
0.000
0.000
0
0
0.00%
12
5
0.061
-0.017
120.061
119.983
3.883
0.392
3.899
0.394
0.05%
12
10
0.122
-0.033
120.122
119.967
7.783
0.786
7.747
0.783
0.08%
12
15
0.183
-0.050
120.183
119.950
11.673
1.178
11.644
1.177
0.03%
12
20
0.244
-0.066
120.244
119.934
15.561
1.571
15.489
1.565
0.15%
12
25
0.305
-0.083
120.305
119.917
19.448
1.963
19.382
1.959
0.10%
12
30
0.366
-0.100
120.366
119.900
23.333
2.355
23.274
2.352
0.08%
12
35
0.427
-0.116
120.427
119.884
27.217
2.747
27.115
2.74
0.18%
12
40
0.488
-0.133
120.488
119.867
31.099
3.139
31.004
3.133
0.15%
12
45
0.550
-0.149
120.550
119.851
34.980
3.531
34.892
3.526
0.13%
12
50
0.611
-0.166
120.611
119.834
23.860
3.923
38.778
3.919
0.10%

参数计算
理想情况下的输出
实际测量值

E
(V)
F
（kN）
△R1
△R2
R1
(轴向）
R2
（径向）
Uo(mV)
U (V)
Uo(mV）
U(V)
转换精度
12
0
0.000
0.000
120.000
120.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.00%
12
5
0.061
-0.017
120.061
119.983
3.883
0.392
3.899
0.393
0.03%
12
10
0.122
-0.033
120.122
119.967
7.783
0.786
7.747
0.781
0.13%
12
15
0.183
-0.050
120.183
119.950
11.673
1.178
11.644
1.174
0.10%
12
20
0.244
-0.066
120.244
119.934
15.561
1.571
15.489
1.562
0.23%
12
25
0.305
-0.083
120.305
119.917
19.448
1.963
19.382
1.955
0.20%
12
30
0.366
-0.100
120.366
119.900
23.333
2.355
23.274
2.347
0.20%
12
35
0.427
-0.116
120.427
119.884
27.217
2.747
27.115
2.734
0.33%
12
40
0.488
-0.133
120.488
119.867
31.099
3.139
31.004
3.126
0.33%
12
45
0.550
-0.149
120.550
119.851
34.980
3.531
34.892
3.519
0.31%
12
50
0.611
-0.166
120.611
119.834
23.860
3.923
38.778
3.910
0.33%

参数计算
理想情况下的输出
实际测量值

E
(V)
F
（kN）
△R1
△R2
R1
(轴向）
R2
（径向）
Uo(mV)
U (V)
Uo(mV）
U(V)
转换精度
12
0
0.000
0.000
120.000
120.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.00%
12
5
0.061
-0.017
120.061
119.983
3.883
0.392
3.902
0.392
0.00%
12
10
0.123
-0.033
120.123
119.967
7.783
0.786
7.803
0.787
0.03%
12
15
0.184
-0.050
120.184
119.950
11.673
1.178
11.702
1.18
0.05%
12
20
0.245
-0.067
120.245
119.933
15.561
1.571
15.6
1.573
0.05%
12
25
0.307
-0.083
120.307
119.917
19.448
1.963
19.497
1.966
0.08%
12
30
0.368
-0.100
120.368
119.900
23.333
2.355
23.391
2.359
0.10%
12
35
0.430
-0.117
120.430
119.883
27.217
2.747
27.285
2.751
0.10%
12
40
0.491
-0.134
120.491
119.866
31.099
3.139
31.177
3.144
0.13%
12
45
0.552
-0.150
120.552
119.850
34.980
3.531
35.068
3.536
0.13%
12
50
0.614
-0.167
120.614
119.833
38.878
3.923
38.957
3.928
0.13%

参数计算
理想情况下的输出
实际测量值

E
(V)
F
（kN）
△R1
△R2
R1
(轴向）
R2
（径向）
Uo(mV)
U (V)
Uo(mV）
U(V)
转换精度
12
0
0.000
0.000
120.000
120.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.00%
12
5
0.061
-0.017
120.061
119.983
3.883
0.392
3.902
0.394
0.05%
12
10
0.123
-0.033
120.123
119.967
7.783
0.786
7.803
0.789
0.08%
12
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0.184
-0.050
120.184
119.950
11.673
1.178
11.702
1.183
0.13%
12
20
0.245
-0.067
120.245
119.933
15.561
1.571
15.6
1.567
0.10%
12
25
0.307
-0.083
120.307
119.917
19.448
1.963
19.497
1.97
0.18%
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30
0.368
-0.100
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23.333
2.355
23.391
2.364
0.23%
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-0.117
120.430
119.883
27.217
2.747
27.285
2.757
0.25%
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3.544
0.33%
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119.833
38.878
3.923
38.957
3.937
0.36%
9.2. 用MATLAB实现的输出特性曲线

'r--'
'F/kN ''U/V ''´«¸ÐÆ÷Êä³ö F-V¡¡Í¼'

10. 传感器的标定
11. 总结