課程設計課程名稱 傳感器設計與實踐題目名稱應變式荷重傳感器及轉換電路設計學生學院 信息工程學院專業班級 學號 學生姓名 指導教師2014年1月16日廣東工業大學課程設計任務書

“傳感器設計與實踐”之二題目名稱 應變式荷重傳感器及轉換電路設計學生學院 信息工程學院專業班級 測控技術與儀器（計測2班）姓名 關漢記學號 3111002389一、 課程設計的內容通過設計型實驗，掌握傳感器設計的一般過程與步驟。具體內容包括：了解荷重測量的一般方法；制定利用應變式傳感器測量荷重的方案；利用工程力學和傳感器知識進行必要的理論分析與計算；利用CAD軟件進行荷重傳感器的結構設計與零件設計；設計傳感器轉換電路，并進行電路調試或仿真。二、 課程設計的要求與數據1、 本實踐環節，采用以教學輔導、學生自主設計、自主實驗的教學形式。2、 傳感器技術參數：測力范圍：0?6X105N； 稱量精度：±1%3、 要求設計說明書字數不少于5000字。三、 課程設計應完成的工作1、 了解荷重測量的一般方法，制定利用應變式傳感器測量重物的方案；2、 進行必要的理論分析與計算，確定傳感器基本尺寸；3、 應變式荷重傳感器結構設計；繪制傳感器裝配圖和部分零件圖；4、 傳感器轉換電路的設計和仿真調試；5、編制設計說明書。

四、課程設計進程安排序號設計各階段內容答疑地點起止日期1布置設計任務。學生查找相關資料教3-3016月17日2選定傳感器型式和結構方案；進行相關理論分析與計算；確定傳感器主要結構尺寸工學1#-1076月18~19日3傳感器主要結構設計，裝配圖、零件圖的設計工學1#-1076月20~22日4根據所設計的傳感器結構，設計轉換電路工學1#-1076月23日5傳感器測量轉換電路仿真調試工學1#-1076月24~25日6傳感器制作工藝研究工學1#-1076月26日7撰寫設計說明書工學1#-1076月27日8分組答辯工學1#-1076月28日五、應收集的資料及主要參考文獻1、 李科杰.新編傳感器技術手冊（M）.國防工業出版社，2002年2、 強錫富.傳感器（第3版）（M）.機械工業出版社，2001年3、 丁鎮生.傳感器及傳感技術應用（M）.電子工業出版社，1999年4、 黃繼昌.傳感器工作原理及應用實例（M）.人民郵電出版社，1998年5、 陳爾紹.傳感器實用裝置制作集錦（M）.人民郵電出版社，2000年6、 黃賢武.傳感器實際應用電路設計（M）.電子科技大學出版社，1997年發出任務書日期：2013年6月17日 指導教師簽名：陳益民、黎勉、查曉春計劃完成日期：2013年6月28日基層教學單位責任人簽章：主管院長簽章:摘要電阻應變式傳感器是直接利用電阻應變片將應變轉化為電阻變化的傳感器，具有測量范圍廣、誤差小、靈敏度高、線性特性好且能在惡劣環境下工作等優點，因此廣泛應用于力矩、壓力、加速度、重量等測量領域。力傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。本課程設計重點研究應變式荷重傳感器的工作原理。電阻應變效應：外力作用于金屬或半導體材料，使其發生機械變形，此時金屬或半導體材料的電阻值就會隨之發生變化，這種現象稱為“電阻應變效應”。對于一根金屬電阻絲，設其電阻率為P、長度為1、橫截面積為S，則在未受力時，金屬電阻絲的原始電阻為R=P1/S。當金屬電阻絲受到拉力作用時將伸長dl，橫截面積相應減少ds，電阻率改變dp，從而引起金屬電阻的變化。關鍵詞：應變式荷重傳感器、應變片、電橋AbstractResistancestrainsensorusingresistancestraingaugesdirectlyintotheresistancechangeofthestrainsensorwithawidemeasurementrange,theerrorissmall,highsensitivity,goodlinearityandcanworkinharshenvironments,suchastheadvantages,itiswidelyusedintorque,pressure,acceleration,weight,etc.measurement.Forcesensorhasasimplestructure,smallsize,lightweight,longlifeandotherexcellentfeatures.Thiscourseisdesignedtofocusonthestraingaugeloadsensorworks.Resistancestraineffects:theexternalforcetoametalorsemiconductormaterialtomechanicaldeformation,whentheresistancevalueofthemetalorsemiconductormaterialwillalsochangeoccurs,aphenomenonknownas"resistivestraineffect."Forametalresistancewire,theresistancewassetp,lengthisl,thecross-sectionalareaS,intheunstressed,theoriginalmetalresistancewireresistanceR=pl/S.Whenthemetalresistancewireundertensioneffectwillstretchdl,acorrespondingreductionincross-sectionalareads,theresistivitychangedp,causingmetalresistancechanges.Keywords：straingaugeloadcell,straingaugebridge目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"引言 7\o"CurrentDocument"荷重測量的一般方法的比較 7\o"CurrentDocument"應變式傳感器 7\o"CurrentDocument"壓阻式傳感器 8\o"CurrentDocument"電感式傳感器 8\o"CurrentDocument"電容式傳感器 8\o"CurrentDocument"壓電式傳感器 8傳感器方案的確定 9\o"CurrentDocument"荷重傳感器的主要技術參數： 9\o"CurrentDocument"金屬的電阻應變效應 9\o"CurrentDocument"應變片的測量原理 10\o"CurrentDocument"彈性元件 12\o"CurrentDocument"彈性體材料的選擇 12\o"CurrentDocument"對彈性元件的許用應變計算 13\o"CurrentDocument"電阻應變片的選擇 13\o"CurrentDocument"絲式應變片 13\o"CurrentDocument"箔式應變片 14\o"CurrentDocument"金屬薄膜應變片 14\o"CurrentDocument"應變片的選擇及應變片的許用應變驗證32] 14\o"CurrentDocument"應變片粘貼厚度的計算 15\o"CurrentDocument"應變片的分析 15\o"CurrentDocument"應變片的連接方式和應變片粘貼方式 16\o"CurrentDocument"受壓軸截面面積的計算，彈性元件基本尺寸確定 16\o"CurrentDocument"傳感器的靈敏系數的確定 17\o"CurrentDocument"外殼尺寸確定 17\o"CurrentDocument"聯接結構的設計 17\o"CurrentDocument"殼體的設計 17\o"CurrentDocument"轉換電路及信號放大電路的設計與調試 18\o"CurrentDocument"轉換電路方案的選擇 19\o"CurrentDocument"方案的選定與分析計算 21\o"CurrentDocument"電橋放大電路的設計要點 21\o"CurrentDocument"電橋放大電路的設計與理論分析 22\o"CurrentDocument"電橋放大電路各元件參數及其輸出電壓的計算 24\o"CurrentDocument"傳感器精度驗證 27\o"CurrentDocument"彈性元件加工精度造成的誤差驗證 27\o"CurrentDocument"應變片精度和黏貼造成的誤差 31\o"CurrentDocument"放大電路電阻精度造成的誤差 31\o"CurrentDocument"參考文獻 31\o"CurrentDocument"十.心得體會 32\o"CurrentDocument"十—.附錄應變式傳感器 32引言新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，人們為了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官在研究自然現象和規律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。為了進一步改善應變式荷重傳感器的形狀尺寸與性能指標，本課程設計重點研究傳感器的工作原理，其中包括基本的理論分析、彈性元件的選材、彈性元件的尺寸設計、應變的選材、應變校驗等。一.荷重測量的一般方法的比較由于應變片的變形，使其阻值發生變化，從而使電壓的輸出值發生變化，再通過基本轉換電路把力轉換成電量的形式表示出來。在工程應用上，壓力的測量一般都通過力敏傳感器來實現。力敏是指對力學量敏感的一類器件或裝置。對力學量敏感的期間或裝置種類繁多，其中主要有應變式、電感式、電容式和壓電式傳感器。圖1.1荷重測量的一般方法應變式傳感器應變片式傳感器的核心元件是金屬應變片。當試件受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，引起應變片電阻值變化，通過測量電路將其轉化為電壓或電流信號輸出。金屬應變式傳感器可以測量力、壓力等非電量參數。優點：精度高，測量范圍廣，結構簡單，性能穩定，靈敏度較高。對測力傳感器而言，量程從零點幾牛至幾百千牛，精度可達）.05%FS（FS為滿量程）；對測壓傳感器，量程從幾十帕至101帕，精度為0.1%FS。應變測量范圍一般可由幾微應變至幾千微應變。缺點：在大應變狀態中具有較明顯的非線性，且抗干擾能力較差，需要采用屏蔽措施。壓阻式傳感器固體受到作用力后，電阻率就要發生變化，這種效應稱壓阻效應。壓阻式傳感器就是利用半導體材料的壓阻效應。它主要用來測量壓力、加速度和載荷等參數。優點：靈敏度高，精度高0.02—0.1級，頻率響應好，可測300-500KHz以下的脈沖壓力；；工作可靠，耐沖擊；耐震動；抗干擾；可微型化、智能化、功耗小、體積小、壽命長，可批量生產。缺點：半導體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現非電量檢測的一種裝置。可以用來測壓力、應變等參數。優點：結構簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、分辨率高。缺點：存在零點殘余電壓；頻率響應低，不宜用快速測量。電容式傳感器電容式傳感器是將被測量的變化轉化為電容量變化的一種裝置，實質上就是一個具有可變參數的電容器。它廣泛應用于壓力、加速度等測量之中。優點：結構簡單、動態響應快、易于實現非接觸測量、具有平均效應。缺點：輸出阻抗高，負載能力差，寄生電容影響大。壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器。它以某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質的表面上產生電荷，從而實現非電量電測的目的。壓電傳感元件是一種力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，

例如力、壓力、加速度等。優點：響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、重量輕、固有頻率高。缺點：無靜態輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，價格貴，一般只用于對精度要求很高的情況中。綜上所述，結合本次課程設計的參數要求和各傳感器的特點與應用場合的比較，應變式測力與稱重傳感器無論在數量上，還是在應用領域方面，它與其它類型的力與稱重傳感器相比仍然占主導地位。因此本次荷重傳感器課程設計選用應變式傳感器。二.傳感器方案的確定荷重傳感器的主要技術參數：測力范圍：0?1X105N；稱量精度：±1%應變式傳感器也稱應變片，電阻應變片的工作原理是基于導體的電阻應變效應，將測量物體的變形轉換為電阻變化的傳感器。金屬的電阻應變效應當金屬絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻將發生變化，這種現象稱為金屬電阻的電阻應變效應。設有一根長度為L的，截面積為S，電阻率為p的金屬絲，在未受力時，原始電阻為:R=pL電阻為:(2-1)HS(2-1)當金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時，將伸長AL，橫截面積相應減小△S，電阻值△R的變化引起電阻的相對變化為：NR(2-2)由材料力學知：半=8由材料力學知：半=8LAP=KC=KE8P(2-3)其中：兀--沿某徑向的壓阻系數，與材料及徑向有關;E--彈性模量；。--材料所受應力。

忽略壓阻效應，并根據有關的力學應變關系可得到公式如下:(2-4)苧=8+2pg+姑^=(1+2日+兀E片=k。￡=k苧(2-4)上式為“應變效應”的表達式，K。為金屬電阻的靈敏系數，通常金屬絲的靈敏系數K=2左右。實驗也表明，在金屬電阻絲拉伸比例極限內，電阻相對變化與0軸向應變稱正比。應變片的測量原理金屬電阻應變片由敏感柵、基片（底）、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，兩端焊接引出導線。基片徵鼠層電阻蚣式能感拇弓|技基片徵鼠層電阻蚣式能感拇弓|技圖2.1應變片的結構應變片的規格以面積和阻值表示。如（lXb）mm2 120。其中：1--應變片的基長；b一基寬。應變式力傳感器的彈性元件有輪輻式，梁式，環式，柱式等，下面對這幾種應變式力傳感器進行分析比較：輪輻式傳感器外加載荷作用在輪的頂部和輪圈底部，輪輻上受到純剪切力。每條輪輻上的剪切力和外加力F成正比。當外加力作用點發生偏移時，一面的剪切力減小，一面增加，其絕對值之和仍然是不變的常數。應變片（8片）的貼法和連接電橋如圖2.1所示。可以消除載荷偏心和側向力對輸出的影響。這是一種較新型的傳感器，其優點是精度高、滯后小、重復性及線性度好。梁式傳感器梁式力傳感器有多種形式，有等截面梁，等強度梁和雙端固定梁等，通過梁的彎曲變形測力，結構簡單，靈敏度較高。等截面梁其特點為結構簡單，易加工，靈敏度高。適合于測5000N以下的載荷，也可以測量小的壓力。等強度梁力F作用于梁端三角形頂點上，梁內各斷面產生的應力相等，表面上的應變也相等，故對粘貼應變片位置要求不嚴。另外梁的形式還有平行雙孔梁、工字梁、S型拉力梁等。環式傳感器環式常用于測幾十千克以上的大載荷，它的特點是應力分布變化大，且有正有負，便于接成差動電橋。環式彈性元件包括典型的圓環式、扁環式、柱環式等。柱式傳感器柱式傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。應變片粘貼在彈性體外壁應力均勻的中間部分，并均勻對稱地粘貼多片。柱式傳感器的結構簡單，可測量大的拉壓力，最大可達10泅，為了提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱式結構。相對于實心圓柱體，空心圓筒在同樣的橫截面情況下，橫向剛度大，橫向穩定性好。綜上所述，總結出四種彈性體的比較表如下表類型負載能力精度線性度工藝性體積輪輻式大高好較復雜較小梁式小高較好簡單小環式較大高好較復雜小柱式大較高較好簡單大綜合對以上各種形式的傳感器進行比較，由于柱式傳感器具有負載能力大，精度較高，加工工藝簡單，線性度較好等特點，并根據題目的參數要求，測力范圍：1X103?1X105N，稱量精度：±1%和器件的應用性，加工性，本課設最終選用圓柱筒應變式荷重傳感器。三.彈性元件彈性體材料的選擇彈性敏感元件在傳感器技術中占有極為重要的地位。在傳感器工作過程中，一般是由彈性敏感元件首先把各種形式的非電物理量變換成應變量或位移量等，然后配合各種形式的轉換元件，把非電量轉換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應用最廣泛的元件。彈性元件的要求：在設計傳感器以前，首先應選擇好彈性元件材料。對彈性元件材料提出以下要求:強度高，彈性極限高；具有高的沖擊韌性和疲勞極限；彈性模量溫度系數小而穩定；熱處理后應有均勻穩定的組織，且各向同性；熱膨脹系數小；具有良好的機械加工和熱處理性能；具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；彈性滯后應盡量小。查《新編傳感器技術手冊》表7-1得以下是三種彈性體材料的特點：材料鈹青銅QBe217-4PH不銹鋼恒彈性合金3J53密度gXcm-38.257.808.0屈服極限MPa103018501250彈性模量MPa134X103195X103G=70X103線膨脹系數a/XSC-i17.610.87.5-8.1泊松比0.320.2720.30機械品質因數N1000彈性模量溫度系數35X10-5/C根據應變式荷重傳感器一一柱式傳感器使用特性和性能指標，本設計使用17-4PH不銹鋼作為彈性元件的制造材料，主要原因是17-4PH不銹鋼具有以下優點：17-4PH合金是沉淀、淬水、馬氏體的不銹鋼，和這個等級具有高強度、硬度(高達3000C/5000C)和抗腐蝕等特性。經過熱處理后，產品的機械性能更加完善，可以達到高達1100-1300mpa(160-190ksi)的耐壓強度。這個等級不能用于高于3000C(5720F)或非常低的溫度下，它對大氣及稀釋酸或鹽都具有良好的抗腐蝕能力，它的抗腐蝕能力與304和430一樣。由于17-4PH不銹鋼具有以上特性，所以比較適合于用作應變式荷重傳感器的彈性元件材料。對彈性元件的許用應變計算由上我們可知17-4PH不銹鋼屈服強度「1.85X109Pa，彈性模量E=1.95X1011Pa，因它為塑性材料，則安全系數氣=1.2?2.5，取氣=2.5。則許用應力：[]=/n=1.85X109Pa/2.5=7.41X108Pa根據二E￡得：佳1]=:]/E=7.41X108Pa/(1.95X1011Pa)=3.80X10-3電阻應變片的選擇金屬電阻應變片此類應變片的結構形式有絲式、箔式和薄膜式三種。絲式應變片如圖1所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時只要將應變片貼于彈性體上就可構成應變式傳感器。它結構簡單，價格低，強度高，但允許通過的電流較小，測量精度較低，適用于測量要求不很高的場合使用。圖1金屬電阻應變片結構箔式應變片該類應變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在0.003?0.01mm之間，它的結構如圖1所示。它的優點是：可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵，柵長l最小可做到0.2mm,以適應不同的測量要求。與被測試件接觸面積大，粘結性能好。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。橫向效應可以忽略。蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。它的主要缺點是電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐姆，故需要作阻值調整。箔式應變片與絲式應變片比較，其面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可繞性，靈敏度系數較高。箔式應變片還可以根據需要制成任意形狀，適合批量生產。金屬薄膜應變片它是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應變片。它的優點是應變靈敏系數大，允許電流密度大，可在-197?317°C溫度下工作。主要問題是，尚難控制其電阻與溫度和時間的變化關系。這種應變片有較高的靈敏度系數，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。應變片的選擇及應變片的許用應變驗證[^2]根據《新編傳感器技術手冊》中的日本新興通信工業株式會社的傳感器資料，在實際的應用中可參照新興通信株式會社公司生產的型號B-FAE-2J-12的應變片，其特性參數如下表所示：系列型號額定電阻(Q)應變片基長(mm)絲柵尺寸基底尺寸靈敏系數長X寬全長X全寬B-FAE-2J-12±12088X0.510.2X0.513X22.1由上得：應變片的靈敏度系數K=2.1因為△Rs=KXRXs1=2.1X120X3.452X=0.870Q根據￡=△Rs/Rs，Ks=2.1，△Rs=0.870，Rs=120Q，所以:

￡二△Rs/Rs/Ks=0.955/120/2=4X10-3，則住2]=s=4X10-3,住1]=3.80X10-3，因為住1]V住2],所以應取住1]=3.80X10-3進行計算。應變片粘貼厚度的計算為了消除基底端部過度區的影響，要求應變片基底長度Ld至少比柵長L,大2a,故設Ld=Lj+2a，所以a=(Ld—L「/2=(4—2)/2=1mm，所以基底及粘界劑層的厚度0=a/2=0.5mm。應變片的分析令外力均勻地作用于筒壁上，在筒壁上取一單元面積ABCD，在兩個方向上都受壓縮作用。所以z1和。2都是主應力，垂直于ABCD方向的壓力產生的應力z3<<z1和z2，故可忽略不計。設：d為圓筒的內徑；l為圓筒的長度；z為圓筒壁的厚度，貝UP=p?S=p竺^4 (4-2)作用于圓筒底部軸向力P為：承受軸向壓力P的為圓筒的橫斷面積(圓環面積)S=氏18因此，軸向應力z2為圖4.4nd2pd48(4-3)TOC\o"1-5"\h\zP= 4pd48(4-3)S nl8橫向力(作用于直徑平面上的壓力)P1，是由縱向截面的支反力N來平衡。當支反力N和橫向力P=pdl兩力平衡時，則\o"CurrentDocument"2N=P=pdl I』、1" (4-4)所以N=四2 (4-5)徑向應力z1為Npdb===——1&弟(4-6)比較軸向應力2和徑向應力1有pdb—1-=_^&=2bPd245(4-7)所以b=2b1 2(4-8)因此，工作應變片應該沿圓周方向粘貼。應變片的連接方式和應變片粘貼方式如下面圖片所示：應變片粘貼方式 應變片的連接方式受壓軸截面面積的計算,彈性元件基本尺寸確定根據任務書可知：測力范圍為0?6X105N經計算得=6X108Pa。所以傳感器受壓軸的截面面積為：A=7rX(D2-d2)/4>F/==6X105/(6X108Pa)=100mm2。A>Fm/Es0=6X104/(200X109X1000X10-6)=300mm2。因為受力面積較小，故受壓軸使用圓筒式結構。選擇D與d時，要考慮到構件的穩定性及加工條件，原因是圓筒式的壁不能太薄。兩端的剛度要足夠。當安裝、緊固傳感器時，不應使中段產生腰鼓變形。過渡部分的圓弧半徑不可太小，以避免造成應力集中而影響疲勞壽命。為使貼片部分應力分布均勻，高度H不可太短，圓柱式一般為H=(2?2.5)D,而圓筒式則可適當短一些。受力面積大于300mm2,故可取外徑D=40mm,d=32mm,面積A=452mm2,H=82mmo傳感器的靈敏系數的確定根據公式：S=(1+2p)KXF/(2AXE)X103其中：M為材料的泊松比(取0.272)；F為傳感器的額定負荷；K為應變片的靈敏系數；E為材料的彈性模量；A為彈性元件貼片部位的截面積。得此傳感器的靈敏系數為：S=(1+2X0.272)X2.1X6X105/(2X4.52X10-4X2X1011)X103=1.076因為SVSg=2.1，所以應變片的靈敏度符合要求。六.外殼尺寸確定聯接結構的設計聯接的要求：機械上是堅固的，不怕振動；避免熱應力對芯片的影響；電氣上芯片與環境或大地是絕緣的，或芯片與大地是電連接的；氣密且耐水壓力的。根據連接的要求，有：傳感器底座與支承面的固定：根據《機械零件設計手冊》GB196-81，傳感器底座的固定螺孔選用螺紋的直徑D=3mm。上蓋與外殼選用螺紋連接：根據工作要求，選用螺距P=1mm的螺紋。接線柱出口聯接圓柱與外殼選用螺紋連接：根據《機械零件設計手冊》GB67-85，選用M1螺釘，螺釘工作長度為3?25mm，選8mm。殼體的設計外殼與底座的選材根據要求，外殼和底座需要有一定的剛度和強度，這里采用聯體設計，選用不銹鋼(LY12)作為材料。上蓋的選材根據要求，上蓋需要有一定的剛度和強度，因此選用不銹鋼(LY12)作為上蓋的材料。受壓頭的選材根據要求，受壓頭要有較大的剛度和強度，因此選用合金鋼(65Mn)作為受壓元件的材料。防塵、接線的設計為了防止傳感器內部器件受到塵埃，空氣或其它液體的腐蝕，要進行一定的防塵措施。因此在受壓軸上的受壓頭的軸肩處使用氈圈進行油封；在外殼的上邊緣處使用橡膠墊圈進行密封具體尺寸如下：根據《機械課程設計》表16-9可知：氈圈選用尺寸為：內徑d=29mm，外徑D=42mm，氈圈厚b=5mm的零件。七.轉換電路及信號放大電路的設計與調試傳感器轉換電路的設計：應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化△R/R，還要把電阻的變化再轉換為電壓或者電流的變化，才能用電測儀表進行測量。通常采用電橋實現微小阻值變化的轉換。在電橋電壓電路中，由于輸出電壓uo與電橋電壓U成正比，所以，若增加U，放大電路本身的漂移和噪聲就會相對減少。但是應變片流過電流太大，其發熱增大，受應變片允許功耗的限制。因此，電橋電壓U以不超過6V為宜，則取U為5V。電路調零調幅電路和電橋轉換電路如圖所示，通過調節R9可以調節電橋的供電電壓，并且可以在任何時候把電路調零，所以該電路稱為調零調幅電路。電路圖如下：此電路靈敏度很大。R10R1iaanR4i2on_J_V11.轉換電路方案的選擇巖土1、直流電橋四臂電橋電路如下圖所示。當電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗度很高，比電橋輸出電阻大很多，可以把電橋輸出端看成開路，如下圖所示:>R13<i2an5R14iaan電橋的輸出式為：「叫一電橋的平衡條件為*%=%%。>R17 >R13<i2on <i2onRR)U/[(R+R)(R+R)]23 1 2 3 4應變片工作時，其電阻變化^R,此時有不平衡電壓輸出。Uo=(R4/R3)(ARi/Ri)U/(1+R2設橋臂比hnR/%，由于電橋和始平衡/Ri+ARi/Ri)(1時有RR=RR，14 23+R4/R3)略去分母中的△R/R1 1可得：U=n(^R/R)U/(1+n)2電橋靈敏度定義為Ku=Uo/^Ri/Ri，可得單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度K=nU/(1+n)2u顯然，Ku與電橋電源電壓成正比，電源電壓的提高，受應變片允許功耗的限制。K與橋臂比n有關。當n=1時有U=(AR/R)U/4 K=U/4u o 11 u上式表明，當電源電壓U及電阻相對值一定時，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻值的大小無關。2、半橋差動電橋根據被測試件的受力情況，若使一個應變片受拉力，一個受壓力，則二者所受到的應變符號相反；如圖2所示：若△若△R1=AR2，R1=R2，?3=R?，則上式簡化為：Uo=AR2Uo=E R2由上式可知，Uo與△R2/R2成線性關系，所以差動電橋無非線性誤差。而且將上式與單臂電橋輸出公式比較發現，差動電橋的電壓靈敏度比單臂應變片提高了一倍，同時可以起到溫度補償的作用。3、全橋差動電橋若給電橋的四臂接入四片應變片，使兩個橋臂應變片受到拉力，兩個橋臂應變片受到壓力，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，則構成全橋差動電路，若滿足R=R=R=R，△R=AR=AR=AR，則輸出電壓為：1 2 3 4 1 2 3 4

Uo=E竺R1將上式與其他電橋輸出相比可知，電壓靈敏度比直流電橋提高了4倍，比半橋差動電路提高了一倍，因此負載能力增強。方案的選定與分析計算綜上方案，本設計選取全橋接法以達到靈敏度高的目的。通過加上橫向應變片可進行溫度補償。一般將應變計對稱地貼在應力均勻的圓柱表面的中間部分，因為應變電阻為120。，得：2R+2AR-2R+2AR' AR+AR' TTU= U= U0 4R+2AR-2AR' 2R+AR-AR'因為|e|=p￡和^R=ks日，而左R’=pAR，故(1+日)AR (1+日)AR^^2R+AR(1-.)~—2R一當R為120。，U=5V，查表，不銹鋼的|J=0.272，A=4.52*10-4mm2E=200GPaAR=k&R=kRE=kR二。則有:UoUx(1UoUx(1+u)2Rx(kxRxaFe)=0.0422V當最大輸入負載F=6X105N時，輸出電壓值為42.212mV式中：k——應變片的靈敏度系數；F——負載的壓力。電橋放大電路的設計要點由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構成的電橋都稱為電橋放大電路。電橋放大電路有單端輸入和差動輸入兩類。1、 單端輸入電橋放大電路的特點為：其增益與橋臂電阻無關，增益比較穩定，但電橋電源一定要浮置，且輸出電壓Uo與橋臂電阻的相對變化率0是非線性關系，只有當0<<1時，Uo與。才近似按線性變化。2、 差動輸入電橋放大電路的特點為：當電橋四個橋臂的電阻同時變化時，電路的電壓放大倍數不是常量，增益也不穩定。另外，電路的非線性仍然存在，只有當0<<1時，Uo與0才近似成線性關系。當共模電壓較大時，輸入信號將被淹沒。因此，這種電路只適用于低阻值傳感器、測量精度要求不高的場合。在設計放大電路時，應注意以下幾點：1、 要將輸入信號放大到10倍左右；2、 所選用的單片式運放的增益穩定性。一般使用運放時，其增益由電阻決定，若電阻值有漂移，則增益也有漂移，故要充分注意影響共模抑制比CMRR的放大器周圍電阻的穩定性。電橋放大電路的設計與理論分析拉/壓力傳感器接成電橋，常用差動放大器進行放大。如果把傳感器的輸出加在一個差動放大器N1的同相和反相輸入端，則因反相輸入端的輸入阻抗小，不僅會產生增益誤差，而且使傳感器內部經過嚴密調整的溫度補償遭到破壞。本設計選擇兩個運放高共模抑制比放大電路，它由兩個集成運算放大器組成，其中N「N2為兩個性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入通用集成運算放大器，構成平衡對稱差動放大器輸入級，N3構成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制N「N2的共模信號，并適應接地負載的需要。此放大電路具有輸入阻抗高、增益調節方便、輸出漂移小以及共模抑制能力強等優點。同時在％*的輸入端分別加了RC低通濾波器以濾掉高頻干擾信號。圖為高輸入阻抗差分放大器,應用十分廣泛.從儀器測量放大器,到特種測量放大器，幾乎都能見到其蹤跡。從圖中可以看到A1、A2兩個同相運放電路構成輸入級，在與差分放大器A3串聯組成三運放差分放大電路。電路中有關電阻保持嚴格對稱，具有以下幾個優點?八、、?A1和A2提高了差模信號與共模信號之比，即提高了信噪比；在保證有關電阻嚴格對稱的條件下，各電阻阻值的誤差對該電路的共模抑制比KCMRR沒有影響；電路對共模信號幾乎沒有放大作用，共模電壓增益接近零。因為電路中R=R、R=R、R=R，故可導出兩級差模總增益為：1 2 3 4 5 6a=、=jg]土vdu,]-u2 "Rp)R3通常，第一級增益要盡量高，第二級增益一般為1~2倍，這里第一級選擇100倍，第二級為1倍。則取R=R=R=R=10K。，要求匹配性好，一般用金屬膜精3 4 5 6密電阻，阻值可在10K。?幾百K。間選擇。則Ad=(Rp+2R1)/Rp先定Rp，通常在1K。?10K。內，這里取Rp=1K。，則可由上式求得R1=99Rp/2=49.5K。取標稱值51K。。通常R和R不要超過R/2，這里選R=R=510。，用S1S2 P S1S2于保護運放輸入級。A1和A2應選用低溫飄、高KCMRR的運放，性能一致性要好。總的電路圖如下:IfLoR1120QR31200R1312QQ?R2：120￡l，R4j2onR1412onR1S120QR19

-W'L

10k￡lR6■VvVi(jgR9100kn'r：50k￡lIS__ VDDIfLoR1120QR31200R1312QQ?R2：120￡l，R4j2onR1412onR1S120QR19

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10k￡lR6■VvVi(jgR9100kn'r：50k￡lIS__ VDD-15V電橋放大電路各元件參數及其輸出電壓的計算為使電橋放大電路的輸出電壓范圍保證在0?10V之間，以便后接儀表或為A/D轉換所用，則電橋放大電路的差模增益應該為K=350左右。由于根據本設計的技術要求與性能指標，可確定電橋放大電路各元件參數如下所示：（電阻精度0.5%）R8(。)r15(。)r20(。)R7(。)R」。）100K100K10K50K4.33K由上表計算可得出放大倍數A=236因此，當電橋供電電壓U=5V時，電橋轉換電路的輸出電壓范圍為：0-42.212mv當壓力F=600000N時，有：彈性元件受力面積A0=tiX(D2-d2)/4=3.14X(402-322)/4m2=4.52X10-4m2Z=F/A=600000/4.52X10-4(N/mm2)=1327.4MPa0g=Z/E=1.3274X109/(2X1011)=6.637X10-3縱向電阻變化：AR=KXRXg=2X120X6.637X10-3。=1.59。橫向電阻變化：AR1=-uAR=-0.272X1.59。=-0.432。電橋輸出:U=42.212mV0運放輸出：Uut=236X42.212mV=9.96V其它依次類推可以求得，下面是測試所得的一個數據測量表:壓力（N）應變片的變化量（歐）電橋輸出電壓U0（mv）放大電路電壓輸出Uout（v）F縱向△R橫向△R理論實際理論實際60000.159-0.0434.2214.2200.9961.0801200000.318-0.0858.4428.4401.9922.1611800000.477-0.13012.66412.5652.9873.2172400000.636-0.17316.88517.0003.9854.0123000000.795-0.21621.10620.9984.9814.9563600000.954-0.25925.32725.2015.9775.9474200001.113-0.30229.54829.0036.9736.8454800001.272-0.34633.77032.9947.9707.7875400001.431-0.38937.99137.7098.9668.8996000001.59-0.43242.21242.0029.9629.960表6-1壓力理論值與實際值的比較用MATLAB實現的F—V特性圖matlab程序1、壓力matlab程序：f=[10000:10000:100000];v1=[4.221、8.442、12.664、16.885、21.106、25.327、29.548、33.770、37.991、42.212];V1=[4.220、8.440、12.565、17.000、20.998、25.201、29.003、32.994、37.709、42.002];subplot(121);plot(f,v1,f,V1,'r--');

xlabel('F/N');ylabel('mV');title('電橋輸出F-V圖')；text(10000,22,'實線為理論曲線’)grid;v2=[0.996、1.992、2.987、3.985、4.981、5.977、6.973、7.970、8.966、9.962];V2=[1.080、2.161、3.217、4.012、4.956、5.947、6.845、7.787、8.899、9.960];subplot(122);plot(f,v2,f,V2,'r--');xlabel('F/N');ylabel('V');title('差動輸出F-V圖')；text(10000,3.3,'實線為理論曲線')grid;根據上表用Matlab作出傳感器的F-V圖，得知其特性如下。八.傳感器精度驗證課程設計任務書要求稱量精度：±1%主要誤差主要包括彈性元件加工精度造成的誤差，應變片精度和黏貼造成的誤差，放大電路電阻精度造成的誤差。彈性元件加工精度造成的誤差驗證彈性元件的公差等級為IT8，這說明外徑D=39.961~40.039mm，d=31.961~32.039mm運算放大器放大倍數A=234?238當Dj39.961mm，dj32.039mm，此時彈性元件厚度最薄：當壓力F=600000N時，有：彈性元件受力面積A1=nX(D12-d12)/4=3.14X(39.9612-32.0392)/4m2=4.48X1081=F/A1=600000/4.48X10-4(N/mm2)=1339.3MPag1=1/E=1.339X109/(2X1011)=6.697X10-3縱向電阻變化：AR=KXRXg：2X120X6.697X10-3。=1.61。橫向電阻變化：AR1=-uAR=-0.272X1.61Q=-0.438。電橋輸出：U01=42.589mV運放輸出：Uout1=238X42.589mV=10.136V(取最大放大倍數)當D=40.039mm，d=31.961mm，此時彈性元件厚度最厚當壓力F=600000N時，有：彈性元件受力面積A2=nX(D22-d22)/4=3.14X(40.0392-31.9612)/4m2=4.57X10-皿=F/A=600000/4.57X10-4(N/mm2)=1312.9MPa2 2g2=2/E=1.312X109/(2X1011)=6.565X10-3縱向電阻變化：AR4=KXRXg2=2X120X6.565X10-3。=1.58。橫向電阻變化：AR1=-uAR=-0.272X1.58Q=-0.430。電橋輸出：U02=41.751mV運放輸出：Uouti=234X41.751mV=9.770V（取最小放大倍數）由此算出彈性元件的誤差為1.9%測試數據如下：傳感器厚度最小（Di=39.961,di=32.039，放大倍數最大（A=238）壓力（N）應變片的變化量（歐）電橋輸出電壓U0（mv）放大電路電壓輸出頃七（v）F縱向△R橫向△R理論實際理論實際60000.161-0.0444.2594.2201.0141.0801200000.322-0.0888.5188.5402.0272.0611800000.483-0.13112.77712.6653.0413.0172400000.644-0.17617.03617.0004.0544.0523000000.805-0.21921.29520.9985.0685.0763600000.966-0.26325.55325.2016.0826.0774200001.217-0.30729.81229.7037.0957.0654800001.288-0.35034.07133.9948.1098.1875400001.449-0.39438.33038.5099.1229.1296000001.61-0.43842.58942.50210.13610.160表6-1壓力理論值與實際值的比較用MATLAB實現的F—V特性圖matlab程序：f=[10000:10000:100000];v1=[4.259、8.518、12.777、17.036、21.295、25.553、29.812、34.071、38.330、42.589];V1=[4.220、8.540、12.665、17.000、20.998、25.201、29.703、33.994、38.509、42.502];subplot(121);plot(f,v1,f,V1,'r--');xlabel('F/N');ylabel('mV');title('電橋輸出F-V圖')；text(10000,22,'實線為理論曲線’)

grid;v2=[1.014、2.027、3.041、4.054、5.068、6.082、7.095、8.109、9.122、10.136];V2=[1.080、2.061、3.017、4.052、5.076、6.077、7.065、8.187、9.129、10.160];subplot(122);plot(f,v2,f,V2,'r--');xlabel('F/N');ylabel('V');title('差動輸出