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1、南京航空航天大学综合课设报告题目：称重传感器设计及性能测试学院： 自动化学院专业： 测试计量技术及仪器组员： 李鸿影 杨宇科2015年7月4日检测技术综合课设一、设计内容1、设计一个电阻应变式载荷传感器及传感器特性自动测试校准系统。应用力学、传感器技术等相关知识设计一个载荷传感器，要求使用AUTOCAD绘制传感器机械图。责任设计人：李鸿影。2、贴片工艺，力学分析推导应变和载荷的关系。责任设计人：李鸿影。3、设计传感器调理电路，要求电路在满足一定测试精度的前提下，尽可能简单，但可以设计两个以上的电路。要求输出电压范围为-3V3V。责任设计人：杨宇科。4、编写虚拟仪器程序，完成校准和对传感器静态特
2、性曲线的显示，计算传感器的线性度（用最小二乘线性度、或端基线性度表示）、灵敏度（包括放大器，V/kg)、重复误差、迟滞误差等静态指标。责任设计人：杨宇科。二、传感器结构设计与材料选择（1）传感器结构的机械制图图2.1 实际实验原理图 （式2.1）图2.2 AntoCAD绘制机械原理图（2）弹性体的材料选择因为弹性体在称重传感器中主要用来承载重物的载荷，形成变形，以便粘贴在弹性体上的应变片感受到变形，从而得到重物质量，实现称重传感器的设计功能。所以，一般对弹性体有如下具体的要求：1.强度高：具有较强的抗压(或抗拉)强度,以便在高载荷下有足够的安全性能。2.温度系数小且稳定3.弹性滞后、弹性后效小
3、4.良好的机械加工和热处理性能5.耐腐蚀性能好常用的弹性体材料有：铬钢，合金钢，铬锰弹簧钢，铍青铜，铝合金本次设计的传感器弹性体采用硬铝合金进行制作，以下对硬铝合金的性能指标进行简单概述：硬铝合金主要指铝铜系的铝合金材料，这类合金的抗拉强度高，具有较好的塑性，具有较高的疲劳性能和断裂韧度，耐热性和加工性能良好，但耐蚀能力较低，需要进行防腐保护。以2A11硬铝合金为例：*其热学性能如下：线膨胀系数： -5020 21.8m(m)-120100 22.9m(m)-1质量热容： J(kg)-1热导率： T4:11825 W(m)-1*其电学性能如下：20电阻率： T4:54nm*其室温力学性能：弹性
4、模量E： 71GPa切变模量G： 27GPa屈服强度0.2： 250MPa抗拉强度b： 410MPa伸长率10： 15%泊松比: 0.31抗剪强度: 270MPa疲劳强度-1: 125MPa（3）总结与体会在设计机械图时，由于没有具体的数据，只能靠直尺测量，因此会有些许微小的误差，不过可以大体看出来测试机械原理，一开始设计时选择面会有一些问题，不过在我弄懂AutoCAD的三维分布就很好解决了，最后用“差集”方法打洞完成。三视图和实体三维图均反映在一张图上。三、贴片工艺与力学特性分析（1）贴片工艺分析由电路理论和传感器原理可知，采用单臂测量时输出为：ui=uk41 （式3.1） 采用差动半桥测量
5、时输出为： ui=uk41-2 （式3.2）采用差动全桥测量时输出为： ui=uk41-2-3+4 （式3.3）又1=-2=-3=4 （式3.4）可知采用差动全桥时灵敏度最高，为差动半桥测量的2倍，单臂测量的4倍。综上所述：应该使用4片应变片粘贴在悬臂梁上构成差动全桥测量电路。具体粘贴工艺与步骤如下：1. 准备工作：对弹性体的表面进行处理，保证干净整洁光滑平整；2. 粘贴应变片；3. 连线组成测量电桥，务必使对臂电阻变化相反，已构成差动电路，消除温度等的影响；4. 复查；5. 固化； （2）等截面悬臂梁的力学特性分析根据称重传感器的量程要求为0500g，属于小量程测量。由（二）可知，采用悬臂梁
6、结构（如图3.1所示）进行设计。以下就等截面悬臂梁进行力学特性分析： 图3.1由材料力学可知：应变片粘贴处的应变为：0=E=6Pl0bh2E (式3.5）则测得的重力为：P=bh2E24l00 (式3.6）由（式3.5）、（式3.6）可知，应变片所测应变0与力P作用的位置l0有关，换言之，系统所测得的力F的大小随力P作用位置l0的变化而变化。同时，所测力P的大小还会受到因载荷不正中而引起的偏心带来的扭矩的影响。（3）带角钢形状刚体的等截面悬臂梁的力学特性分析为了解决（2）中的传感器的输出随载荷的位置而改变及载荷不正中带来的影响，在（2）中等截面悬臂梁的自由端加上如图所示的角钢形状的刚体。以下就
7、带角钢形状刚体的等截面悬臂梁（如图3.2所示）进行力学特性分析:由材料力学可知，作用于角钢形状刚体上的力P与弯矩之差M成正比，即:PM=M1-M2 （式3.7） 可得梁上所贴4个应变片所感受到的应变值分别为：1=PL2+MEW （式3.8）2=PL1+MEW （式3.9）3=-PL2+MEW （式3.10）4=-PL1+MEW （式3.11） 图3.2由电桥输出特性可知：ui=uk41-2-3+4=uk4PL2+MEW-PL1+MEW +PL2+MEW-PL1+MEW ui =uk2P(L1-L2)EW （式3.12）（式8）中（L1-L2）为两组应变片间的距离。由（式8）可知，电桥输出与载荷
8、位置无关，从而解决了（2）中的问题。（4）双连孔悬臂梁力学特性分析由（3）中的（式8）可知，为了提高系统灵敏度，增大即单位力P作用下产生的电压ui，可以通过减小应变片粘贴部位即悬臂梁的实际工作部分的弯曲截面系数W，即减小工作部分的横截面面积，所以通过在悬臂梁上开两个互相连通的孔，以便进一步提高系统的灵敏度，如右图图3.3所示。（5）总结与体会通过整个力学分析，让我对传感器的应变效应实际体会更加加深。实际工作时也可以通过仿照这次设计选择差动电桥的 图3.3方法来增大灵敏度和实际应用电桥时应变片的贴片位置和方法。虽然推导过程曾经出现过一些错误，在看书后及时发现并改正，也算加深对全桥电路的理解和印象
9、了。四、调理电路设计图4.1 Protel原理图图4.2 PCB原理图 层1图4.3PCB 原理图 层2（1） 增益设计分析图4.4三运放测量放大器局部电路图(2) 由数字化测试技术课程中有关测量放大器的内容可知：设加在运放1同向端的电压为V1，加在运放2同向端的电压为V2,若运放1、运放2、运放3均为理想运放，可得三运放测量放大器第一级的闭环放大倍数为：Af1=1+R5+R7RV2 (式4.1）第二级的闭环放大倍数为： Af2=R9R8 （式4.2）为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的能力，根据上下对称的原则进行电阻配置，取R5=R7,R8=R10=R9=R11可得整个三运放测量放大器的
10、闭环放大倍数为： Af=VOV1-V2=-1+2R5RV2 （式4.3）其中V1-V2即为差动全桥的输出电压，由(式3.12)可知V1-V2= ui =uk2P(L1-L2)EW 可知传感器输出电压经调理电路输出的电压为：VO=AfV1-V2=Afui=-1+2R5RV2uk2PL1-L2EW (式4.4）又系统要求输出电压VO范围为-3V3V为了满足这个要求，需要对下面这个参数进行详细设计：-1+2R5RV2uk2L1-L2EW （式4.5）具体取值包括电阻R5=5.1k、电阻RV2=5k、电源电压u=5V、应变片粘贴位置L1和L2、应变片灵敏度系数k、弹性体的弹性模量E和弯曲截面系数W（2
11、） 调零参数设计图4.5差动电桥及调零电路局部电路图一般电桥四个桥臂的应变片的标称电阻阻值是相等的，但实际上是存在偏差的，这就造成在弹性体受力为0是，电桥的输出不为0。但是实际要求电桥在测量前输出为零，这就要求在电桥测量电路上上附加调零电路，即在电路中增加电阻R6和电位器RV1，如图4.5所示。由电路理论可知，R6和RV1将构成三角形连接，等效桥臂电阻受其影响后变为：（其中n1+n2=1）R1=n1RV1+1n2R6 （式4.6）R2=n2RV1+1n1R6 （式4.7）阻值变化为：R1=R12R1+n1RV1+1n2R6 （式4.8）R2=R22R2+n2RV1+1n1R6 （式4.9）可得
12、电阻变化最大量为：R1max=R12R1+R6 （式4.10）R2max=R22R2+R6 （式4.11）同时，由于引入调零电路，会带来一定的传感器的灵敏度误差：=RR62(1+RR6)2*RR （式4.12）由（式4.10）和（式4.11）可知，R6的大小决定了调零电路的调节范围，R6越小，调零电路的调节范围越大。但是为了尽可能减小调零电路对于测量电路的影响，R6和RV1应在可能的范围内尽量选取得大一些。综上所述，本次传感器设计是R6=10k，R1=R2=R3=R4=R=350可调节桥臂电阻值为：Rmax=11.84， RmaxR=0.034（3）总结与体会这次实验的信号调理电路比较简单，加
13、上之前自己有自学过protel，所以protel设计部分相对比较轻松，只用了一个晚上就做完了。真正的设计其实远比这复杂，因为protel官方库里面器件很有限，而实际应用中所用的器件可能千奇百怪，所以从原理图设计开始，设计者可能就要开始制作器件原理图符号，画pcb图要制作器件封装，要设计电气规则，要考虑电磁干扰，要考虑器件布局及走线等等各方面的内容。但是，通过这次简单的任务，可以熟悉整个设计流程，对于加深对软件的理解其实大有帮助。在一个学期没有用过protel后，我对于其设计已经很生疏，经过这次作业，我又重新入门了一次。五、虚拟仪器程序设计（1）电压测量显示系统设计（2）传感器特性实际测量数据均在图中显示（3）总结与体会这次课设，labview程序设计部分是最有挑战性的部分，也是我收获最大的部分。虽然labview上手快，但因为这学期没有选虚拟仪器这门课，我对labview设计一无所知
