電阻應(yīng)變式壓力傳感器的設(shè)計.doc

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傳感器與檢測技術(shù) 電阻應(yīng)變式壓力傳感器的設(shè)計 學(xué)院：信息技術(shù)學(xué)院 指導(dǎo)老師：蔡杰 班級：B1106 姓名：張佳林 學(xué)號：0915110629 目錄 一、設(shè)計任務(wù)分析 2 二、方案設(shè)計 2 2.1原理簡述 2 2.2應(yīng)變片檢測原理 3 2.3彈性元件的選擇及設(shè)計 4 2.4應(yīng)變片的選擇及設(shè)計 5 三、單元電路的設(shè)計 6 3.1電橋電路的設(shè)計 6 3.2放大電路的設(shè)計 6 3.3移相器的設(shè)計 7 3.4過零比較器的設(shè)計 8 3.5相敏檢波電路的設(shè)計 9 3.6低通濾波器的設(shè)計 9 四、誤差分析 10 五、心得體會 10 六、致謝 11 電阻應(yīng)變式壓力傳感器的設(shè)計 1. ； 二、方案設(shè)計 原理框圖如圖一所示。數(shù)顯表頭 過零比較器 相敏檢波 移相器 放大器 5KHZ交流 交流電橋 電阻應(yīng)變片 （質(zhì)量）壓力 低通濾波 2.2應(yīng)變片檢測原理 電阻應(yīng)變片（金屬絲、箔式或半導(dǎo)體應(yīng)變片）粘貼在測量壓力的彈性元件表面上，當(dāng)被測壓力變化時，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變形，這個變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變形，根據(jù)所測電阻變化的大小來測量未知壓力，也實現(xiàn)本次設(shè)計未知質(zhì)量的檢測。 設(shè)一根電阻絲，電阻率為，長度為,截面積為S，在未受力時的電阻值為 R= ----- ① 圖一 金屬絲伸長后幾何尺寸變化 如圖一所示，電阻絲在拉力F作用下，長度增加，截面S減少，電阻率也相應(yīng)變化，將引起電阻變化△R，其值為 =—＋ ----② 對于半徑r為的電阻絲，截面面積S=，則有=。令電阻絲的軸向應(yīng)變?yōu)?，徑向?yīng)變?yōu)椋?，由材料力學(xué)可知，為電阻絲材料的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得 =（1+2 ----③ 通常把單位應(yīng)電所引起的電阻相對變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達(dá)式為 = ----④ 從④可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù)由兩部分組成：受力后由材料的幾何尺 受力引起；由材料電阻率變化引起的。對于金屬絲材料，項的值比小很多，可以忽略，故。大量實驗證明 在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即為常數(shù)。 通常金屬絲的=1.7～3.6。④可寫成 = ----⑤ 2.3彈性元件的選擇及設(shè)計 本次設(shè)計對質(zhì)量的檢測是通過對壓力的檢測實現(xiàn)的，所以彈性元件承受物重也即壓力，這就要求彈性元件具有較好的韌性、強(qiáng)度及抗疲勞性，通過查設(shè)計手冊，決定選取合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A，其抗拉應(yīng)力是1700Mpa，屈服強(qiáng)度是1000Mpa，彈性模量是211Gpa。 同時本次設(shè)計選取彈性元件的形式為等截面梁，其示意圖如圖二所示 圖二 等截面梁 作用力F與某一位置處的應(yīng)變關(guān)系可按下式計算： 式中： ——距自由端為處的應(yīng)變值； ——梁的長度； E——梁的材料彈性模量； b——梁的寬度； h——梁的厚度。 通過設(shè)計，選取=20mm, =14mm,b=10mm,h=3mm 現(xiàn)校核如下： 因此，選取是合理的。 2.4應(yīng)變片的選擇及設(shè)計 從理論學(xué)習(xí)中知道，箔式應(yīng)變片具有敏感柵薄而寬，粘貼性能好，傳遞應(yīng)變性能好；散熱性好，敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；蠕變，機(jī)械滯后小，疲勞壽命長等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合本次設(shè)計的應(yīng)用。選擇4片箔式應(yīng)變片（BX120-02AA）阻值為120Ω，其基底尺寸是（）。同時敏感珊的材料選擇鉑 因為其靈敏系數(shù)達(dá)， 且其最高工作溫度可以達(dá)800多攝氏度，柵長做到0.5mm。 應(yīng)變片粘貼在距自由端處，R1和R4粘貼在梁的上方承受正應(yīng)變，R2和R3則與之對應(yīng)粘貼在下方承受負(fù)應(yīng)變。粘貼劑選擇環(huán)氧樹脂粘貼劑。 基底材料選擇膠基，厚度為0.03mm-0.05mm。 引線材料采用直徑為0.15-0.18mm的鉻鎳金屬絲引線。 最后在安裝后的應(yīng)變片和引線上涂上中性凡士林油做防護(hù)作用，以保證應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。 這樣最大應(yīng)變?yōu)椋? 因此是符合的。且交流電橋的最大輸出輸入比為： 三、單元電路的設(shè)計 3.1電橋電路的設(shè)計 為了實現(xiàn)對應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償，因此選擇全橋電路作為測量電路，將4片應(yīng)變片接入電橋。橋路圖如圖三所示。其次，考慮到連線導(dǎo)線分布電容的影響及交流電橋的初始平衡性問題（無稱重時電橋輸出應(yīng)為零），應(yīng)在橋路中采取調(diào)零電路。橋路接法如圖三所示，R5和C2即是實現(xiàn)調(diào)零用的，取C2=1uF，R5=1.8kΩ。電橋輸出為 交流電源頻率選擇為5KHZ,現(xiàn)使橋路最大輸出為10mV，則電壓幅值為： 圖三 交流電橋 3.2放大電路的設(shè)計 由于傳感器輸出的電壓比較小，因此需對其進(jìn)行放大使之滿足后續(xù)電路的處理要求。 鑒于傳感器輸出可能雜有共模電壓，為此，選取具有高共模抑制比的AD620作為放大器來達(dá)到凈化信號電壓和充分節(jié)約成本和制造的空間的目的。 電路圖如圖四所示。 圖四 放大電路 其放大增益為： 為了將10mV的電壓放大到10V，需要放大1000倍，為此選擇分配級為 這里放大50倍，因此解得R4=1.008kΩ。 3.3移相器的設(shè)計 因為電橋電路輸出的電壓對載波信號有一定的超前角，一般為幾度到幾十度，因此在把載波信號作為相敏檢波的參考電壓前需對其進(jìn)行一定的移相處理 圖五為0-90的移相電路。 圖五 移相電路 若設(shè)R12調(diào)節(jié)后的有效電阻為R，則移相的推導(dǎo)為： 因為的數(shù)量級為，所以可以取C3=100uF,這樣R（R12）可以設(shè)定在500Ω范圍，即實現(xiàn)相角在0-90移動。上式中， 。 所以移相電路不改變幅值。 3.4過零比較器的設(shè)計 在進(jìn)行相敏檢波時，我們更希望參考電壓整形為方波，這樣便于比較，因此設(shè)置一個過零比較器LM339實現(xiàn)這一功能。電路圖如圖六所示。 圖六 過零比較器 3.5相敏檢波電路的設(shè)計 由于采用的交流電壓不能實現(xiàn)對壓力方向的判別，所以要利用相敏檢波的鑒相特性達(dá)到這一目的。 電路圖如圖七所示。 圖七 相敏檢波電路 從圖示知道，用JFET 做開關(guān)器件，當(dāng)＞0時，其導(dǎo)通，U4A正極為0電位，信號從負(fù)極輸入，放大倍數(shù)為，此時＞0；當(dāng)＜0時，JFET截止，信號從正極輸入，放大倍數(shù)為1，此時＜0。因此，相敏檢波實現(xiàn)了信號的判別，只是與原信號相差一個負(fù)號。 3.6低通濾波器的設(shè)計 由于經(jīng)過相敏檢波后的電壓還混有高頻載波信號，所以需將其濾掉，又因為相敏檢波后輸出的電壓與原信號差一個負(fù)號，所以選擇反相一階有源低通濾波器，這樣就可以得到真正反映原信號的直流輸出。 低通濾波器截止頻率設(shè)為40HZ。電路圖如圖八所示。 圖八 低通濾波電路 若取R10=1kΩ，則由 可解得C1=4uF，另外取R9=50Ω，則此環(huán)節(jié)實現(xiàn)的放大倍數(shù)是，則實現(xiàn)了放大倍數(shù)的另一級分配，也還原了原始信號的相位。 所以至此，就實現(xiàn)了原始信號的測量處理，即能夠通過將質(zhì)量為0-10kg（也即壓力為0-100N）的物體作用于彈性元件（等截面梁）并通過應(yīng)變片使其電阻發(fā)生變化進(jìn)而使后續(xù)相關(guān)電路產(chǎn)生對應(yīng)的0-10V的電壓實現(xiàn)對物體的稱重，也即1kg物體對應(yīng)1V的電壓。將低通濾波后產(chǎn)生的直流電壓接入數(shù)顯表頭就可直觀地看出物體質(zhì)量的大小 四、誤差分析 誤差的形成主要來源于溫度誤差，造成溫度誤差的原因主要有以下兩個： 1、 敏感柵電阻隨溫度變化引起誤差 2、 試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加拉長或壓縮，引起電阻變化。 這樣的溫度誤差可以通過橋路進(jìn)行補(bǔ)償，如本設(shè)計中的全橋電路就很好地實現(xiàn)了溫度的補(bǔ)償 其次，電橋還具有非線性誤差，由于對金屬絲電阻應(yīng)變片，電橋非線性誤 可以忽略，所以也不影響本次設(shè)計。 最后，對于如同工頻等的干擾，我們盡量通過電路的優(yōu)化除去干擾，如通過高共模抑制比儀放以及低通濾波器進(jìn)行改進(jìn)。 因此，從理論上說，本次設(shè)計中的誤差還是比較好地得到了控制。 五、心得體會 我認(rèn)為，在這學(xué)期的傳感器學(xué)習(xí)和實驗中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗課上，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐，再學(xué)習(xí)、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實驗結(jié)束之后變的更加成熟，會面對需要面對的事情。 六、致謝 很高興這一年和蔡老師的相處。我們不僅是師生，更成為了生活中的朋友。在這次設(shè)計中，離不開同學(xué)們的互相協(xié)助。沒有討論，就不會一次次得出正確的結(jié)果。更是離不開您的幫助與指導(dǎo)。我喜歡這門課、喜歡硬件設(shè)計、所以喜歡鉆研這一類的東西。在我遇到不懂的時候。是您耐心細(xì)致的給我指導(dǎo)。幫我度過這個困難關(guān)。在你的教學(xué)中，我從中學(xué)到的不僅是知識，也感到了娛樂性，在快樂中學(xué)習(xí)。謝謝您的悉心教導(dǎo)、認(rèn)真細(xì)致、和對我的高要求，正是嚴(yán)師出高徒。也謝謝在座各位同學(xué)的幫助。