压力传感器设计.doc

传感器与检测技术
电阻应变式压力传感器的设计

学院：信息技术学院
指导老师：蔡杰
班级：B1106
姓名：张佳林
学号：0915110629

目录
一、设计任务分析 2
二、方案设计 2
2.1原理简述 2
2.2应变片检测原理 3
2.3弹性元件的选择及设计 4
2.4应变片的选择及设计 5
三、单元电路的设计 6
3.1电桥电路的设计 6
3.2放大电路的设计 6
3.3移相器的设计 7
3.4过零比较器的设计 8
3.5相敏检波电路的设计 9
3.6低通滤波器的设计 9
四、误差分析 10
五、心得体会 10
六、致谢 11

电阻应变式压力传感器的设计
1. ；
二、方案设计
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

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
图一 金属丝伸长后几何尺寸变化
如图一所示，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
通常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，其表达式为
= ----④
从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数由两部分组成：受力后由材料的几何尺
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，可以忽略，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。
通常金属丝的=1.7～3.6。④可写成
= ----⑤
2.3弹性元件的选择及设计
本次设计对质量的检测是通过对压力的检测实现的，所以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，通过查设计手册，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。
同时本次设计选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如图二所示

图二 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。
通过设计，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可以忽略；蠕变，机械滞后小，疲劳寿命长等优点，所以非常适合本次设计的应用。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， 且其最高工作温度可以达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：

三、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。桥路图如图三所示。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。桥路接法如图三所示，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：

图三 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。
电路图如图四所示。

图四 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
图五为0-90°的移相电路。

图五 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，所以可以取C3=100uF,这样R（R12）可以设定在500Ω范围，即实现相角在0-90°移动。上式中， 。 所以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。电路图如图六所示。

图六 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，所以要利用相敏检波的鉴相特性达到这一目的。
电路图如图七所示。

图七 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，所以需将其滤掉，又因为相敏检波后输出的电压与原信号差一个负号，所以选择反相一阶有源低通滤波器，这样就可以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。电路图如图八所示。

图八 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。
所以至此，就实现了原始信号的测量处理，即能够通过将质量为0-10kg（也即压力为0-100N）的物体作用于弹性元件（等截面梁）并通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
四、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。
这样的温度误差可以通过桥路进行补偿，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
可以忽略，所以也不影响本次设计。
最后，对于如同工频等的干扰，我们尽量通过电路的优化除去干扰，如通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，本次设计中的误差还是比较好地得到了控制。
五、心得体会
我认为，在这学期的传感器学习和实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
六、致谢
很高兴这一年和蔡老师的相处。我们不仅是师生，更成为了生活中的朋友。在这次设计中，离不开同学们的互相协助。没有讨论，就不会一次次得出正确的结果。更是离不开您的帮助与指导。我喜欢这门课、喜欢硬件设计、所以喜欢钻研这一类的东西。在我遇到不懂的时候。是您耐心细致的给我指导。帮我度过这个困难关。在你的教学中，我从中学到的不仅是知识，也感到了娱乐性，在快乐中学习。谢谢您的悉心教导、认真细致、和对我的高要求，正是严师出高徒。也谢谢在座各位同学的帮助。
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