板环式拉力传感器专业课程设计.doc

湖南科技大学

传感器与测控电路课程设计
阐明书

设计题目：板环式拉力传感器

学院名称： 机电工程学院
专业班级： 10级测控3班
学生姓名： 宋权杰
指引教师姓名： 杨书仪 余以道

6月12日
目录

摘要................................................................................................................................1
设计任务书....................................................................................................................1
第一章 德普施应变式传感器......................................................................................2
1.1工作原理..... 3
1.2 电阻应变片 4
第二章 测量电路 5
2.1测量电桥 6
2.2运算放大器LF356 7
2.3 放大电路 8
2.3.1 一级放大电路 8
2.3.2 调零电路 9
2.3.3 可调二级放大电路....................................................................................10
第三章 测量资料及测量仪标定..............................................................................11
3.1 测量参数.......................................................................................................12
3.2 测量仪标定...............................................................................................13
第四章 误差分析..........................................................................................................13
第五章 个人小结..........................................................................................................14
参照文献........................................................................................................................15

摘要
传感器技术是运用各种功能材料实现信息检测一门综合技术学科，是现今科学领域中实现信息化基本技术之一。当代测量、控制与自动化技术飞速发展，特别是电子信息科学发展，极大增进了当代传感器发展。同步咱们也看到，传感器在寻常生活中应用越来越广泛，可以说它已成为测试测量不可或缺环节。因而学习、研究并在实践中不断应用传感器技术具备重大意义。
鉴于此，本次课程设计力图通过对惯用传感器设计运用使咱们加深对传感器结识和理解并逐渐将课本上学习到理论知识转换为实际生产力，以培养咱们学以致用求学质量。
拉力传感器是用来将重量信号或拉力信号转化为电信号装置，拉力传感器采用金属电阻应变计构成测量桥路，运用金属电阻丝在拉力作用下伸长变细，电阻增长原理，既金属电阻随所受应变变化而变化效应而制成。
本次课程设计中传感器共由如下几某些构成：全桥电路、差动放大电路、调零电路和最后放大标定电路。

设计任务书
应变式传感器具备精度高、测量范畴广、构造简朴质轻便携、能适应恶劣工作条件、价格低廉品种多样等长处。缺陷是输出信号薄弱易受干扰等，但可采用一定补偿办法。因此它是非电量电检测技术中应用最广泛和最有效敏感组件，广泛地应用于工程测量和科学实验中。
设计规定：本次课程设计规定运用电阻应变原理设计一种板环式拉力传感器，规定电路输出值（mv）与被测物体所受拉力（F）数值上相等，并输出稳定，消除零漂。
设计原理：当被测物受到外界拉力而产生微小变形时，会导致贴在弹性体上应变片发生形变，则应变片阻值发生变化。应变片阻值发生变化将使差动全桥电路输出电压不为零，且此值与应变片形变呈线性关系，即与物体所受拉力呈线性关系。由于全桥输出电压值很小，必要经放大电路放大。放大电路输出电压值也与物体所受拉力呈线性关系，最后实现了由非电量到电量转化。
设计所需组件：德普施应变传感器一台 LM356运算放大器3个 导线、电阻若干 滑动变阻器3个（1ΚΩ一种、50ΚΩ一种） 电路板一块 万用表一台 直流电源（+5V、+12V、-12V） 。

第一章 板环式拉力传感器

1.1工作原理
板环式拉力传感器工作原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在她表面电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它阻值将发生变化（增大或减小），再经相应测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完毕了将外力变换为电信号过程。

板环式拉力传感器长处：量程大，构造简朴，易于使用，频响特性好，能在恶劣条件下工作。因而它广泛应用于起重、起吊行业中。

1.2 电阻应变片
设有一段长为ι，横截面积为s，电阻率为ρ固态导体，它具备电阻R为
R=ρι/s（ι—ι） (1—1)
当它受轴向力F而被拉伸（或压缩）时，其ι、s、ρ均发生变化，对上式两边取对数后再微分，可求得电阻相对变化
ΔR/R=Δρ/ρ+Δι/ι-Δs/s (1—2)
由s= π*r^2得Δs/s=2Δr/r (1—3)
由材料力学Δr/r=-μΔι/ι (1—4)
综合上述各式可得ΔR/R=Δρ/ρ+Δι/ι+2μΔι/ι=K*Δι/ι (1—5)
其中K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（Δι/ι）
式1—5阐明了电阻应变片电阻变化率和电阻丝伸长率关系。
其中K值为应变计敏捷系数。它表达：安装在被测试件上应变计，在其轴向受到单向应力时引起电阻相对变化，与此单向应力引起试件表面轴向应变之比。但敏捷度系数K值大小是由制作金属电阻丝材料固有性质所决定，与应变片形状、尺寸大小无关。

第二章 测量电路
2.1测量电桥
由于应变片电阻值会随温度变化而变化，从而影响传感器性能，因此必要采用温度补偿办法。咱们采用是差动全桥电路输出。差动电桥是运用电桥输出特性中呈现相对臂与相邻臂之间“和”、“差”特性，通过应变片合理布片与接桥来达到温度补偿目。电路原理图如图所示，其中R1=R2=R3=R4，Ui=5V。经测量发现传感器受到外界拉力后，红白两应变片输出电压增大，蓝黑两应变片输出电压减小，阐明红白两应变片贴在弹性体上方受拉应力，蓝黑两应变片贴在弹性体下方受压应力。因此接入电桥相对臂受拉（ΔR1/R1，ΔR4/R4）相邻臂应变片受压（-ΔR2/R2，-ΔR3/R3）则有Uo=Ui/4（ΔR1/R1-ΔR2/R2+ΔR3/R3-ΔR4/R4）。从式中可见当温度引起相似阻值变化时，既ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，输出值U0不变，从而起到温度补偿作用。【1】

2.2运算放大器LM356
LF356功能简介： LF356芯片如图2—1所示，是一种低噪声，非斩波稳零双极性运算放大器集成电路。由于LF356具备非常低输入失调电压，因此LF356在诸多应用场合不需要额外调零办法。可代替昂贵和模块FET运算放大器； 与MOSFET输入运算放大器 设备相比，耐用JFET容许无熔断解决； 高或低源阻抗低1/ƒ折，优良低噪声应用； 在大多数单片放大器上，偏置调节不可降解漂移或共模抑制； 新输出电路级容许大电容负载(5000pF)使用，无稳定性问题； 内部补偿和大差分输入电压能力； 对数放大器； 光电放大器； 采样保持电路共同特点； 低输入偏置电流：30pA； 低输入失调鞯电流3pA；高输入阻抗：1012Ω； 低输入噪声电流：0.01pA/√HZ ；高共模抑制比：100dB； 大DC电压增益：106dB，频率：4.5MHz。

图2—1

2.3 放大电路

由于应变式传感器输出信号很薄弱，只有几mv,很难用电压表测量。因而，为了便于测量并提高测量精度，必要接入放大电路。此外由于仪器自身误差，在传感器未受到外界拉力时，仍会有一电压输出值，既零位电压，应设法运用电路消除。桥路输出放大电路如图2—2所示，下面将逐级分析电路构成和作用。【2】

图2—2
2.3.1 一级放大电路
一级放大电路如图2—3所示，这是运用LF356运算放大器构成一差动放大电路。输出值Uo1=-10Ui。由于应变式传感器输出电压很小，很难通过调节滑动变阻器得到一种与它相等值，因而必要恰当放大，这个电路将电桥输出电压值恰当放大，为下一级调零电路铺垫。其放大倍数为100K/10K=10。

【3】

图2—3
2.3.2 调零电路
电路图如图2—4所示，这是运用LF356运算放大器构成加减法电路，用来消除零位电压。通过调节滑动变阻器，使得放大器正负两端输出电压相等，由于其符号相反，则总输出电压为零。即实现了调零。

图2—4

2.3.3 可调二级放大电路
电路图如图2—5所示，可通过调节滑动变阻器阻值来调节放大倍数，其最大放大倍数为50，倍数可调范畴较大，从而能使输出电压（mv）与被测物体收受拉力（F）在数值上相等。即实现本设计中标定。

图2—5
第三章 测量参数和测量仪标定
3.1 测量参数
额定载荷 Rated Load
10,20,30,40t
敏捷度Sensitivity
2.0±0.002mv/v
综合误差 Total error
±0.05﹪F.S
蠕变(30分钟)Creep(30min)
±0.05﹪F.S
零点平衡 Zero balance
±1﹪F.S
零点温度影响 TCO
±0.05﹪F.S/10℃
输出温度影响 TC SPAN
±0.05﹪F.S/10℃
输入阻抗 Input resistance
400 ±10Ω
输出阻抗 Output resistance
352 ±5Ω
绝缘电阻碍Insulation resistance
≥5000MΩ
工作温度范畴内Operating Temp Range
-30～+70℃
安全过载 Safe load limit
150﹪F.S
极限过载 Over load limit
200﹪F.S
推荐勉励电压Recommendexcitation
10～12V DC
最大勉励电压 Maximumu excitation
15V DC
密封级别 Protection Class
IP67
材质 Construction
合金钢Alloy Steel
电缆 Cable

3.2 测量仪标定
线性度：1.4886/1004.5×100%=0.15%
敏捷度：K=2.0
回差:3.2144/1004.5×100%=0.32%
零漂:2mv

第四章 误差分析
误差形成重要来源于温度误差，另一方面是放大器失调电压和失调电流。导致温度误差因素重要有如下两个：
电阻应变片随温度变化引起误差
1、试件材料与应变丝材料膨胀系数不同使应变片产生附加拉长或压缩，引起电阻变化。
这样温度误差可以通过桥路进行补偿，如本设计中差动全桥电路就较好实现了温度补偿。
2、电桥自身具备非线性误差，相对于金属丝应变片误差，电桥非线性误差可以忽视，因此也不影响本次设计。
最后对于低频干扰，咱们尽量通过电路优化除去干扰。
因而，从理论上说，本次设计误差还是得到了比较好控制。

第五章 个人小结
两个星期课程设计结束了，在这次课程设计中不但检查了我所学习知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完毕一件事情。在设计过程中，我学会了如何使用AUTOCAD和用Protel DXP画图，这使我很有成就感。
课程设计是咱们专业课程知识综合应用实践训练，着是咱们迈向社会，从事职业工作前一种必不少过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言真正含义．我今天认真进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实基本．
通过这次电子称设计，本人在多方面均有所提高。
一方面综合运用本专业所学课程理论和生产实际知识进行一次电子称设计工作实际训练从而培养和提高了我独立工作能力，巩固与扩充了课程所学内容，掌握了传感器设计办法和环节，掌握了如何将运算放大器调零和电压失调，熟悉了规范和原则，同步各科有关课程均有了全面复习，独立思考能力也有了提高。
在这次设计过程中，体会了学以致用、突出自己劳动成果喜悦心情，从中发现自己平时学习局限性和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢咱们余以道教师.和杨书仪教师，教师们严谨细致、一丝不苟作风始终是我工作、学习中榜样；教师循循善诱辅导和不拘一格思路予以我无尽启迪；这次传感器设计每个实验细节和每个数据，都离不开教师您细心指引。而您开朗个性和宽容态度，协助我可以很顺利完毕了这次课程设计。同步爷感谢在课程设计中遇到不懂问题时耐心协助我同窗们。

由于本人设计能力有限，在设计过程中难免浮现错误，恳请教师们多多指教,我十分乐意接受你们批评与指正，本人将万分感谢。

参照文献
【1】 张国雄编 测控电路第四版 天津大学机械工业出版社
【2】 费业泰编 误差理论与数据解决 合肥工业大学出版社
【3】 张洪润编 传感器技术大全 北京航空航天大学出版社
【4】 李小坚编 Protel DXP电路设计与制版实用教程第二版 人民邮电出版社
【5】 成立等编 模仿电子技术 东南大学出版社 第一版