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1、课 程 设 计 课程名称 传感器设计与实践 题目名称 应变式荷重传感器及电路转换设计 学生学院 信息工程学院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 20010年6月28日广东工业大学课程设计任务书“传感器设计与实践”之二题目名称应变式荷重传感器及转换电路设计学生学院信息工程学院专业班级姓 名学 号一、课程设计的内容通过设计型实验，掌握传感器设计的一般过程与步骤。具体内容包括：了解荷重测量的一般方法；制定利用应变式传感器测量荷重的方案；利用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析与计算；利用CAD软件进行荷重传感器的结构设计与零件设计；设计传感器转换电路，并进行电路调试或仿真。二、课程设计的要求与
2、数据1、本实践环节，采用以教学辅导、学生自主设计、自主实验的教学形式。2、传感器技术参数：测力范围：11031105 N； 称量精度：1 %3、要求设计说明书字数不少于5000字。三、课程设计应完成的工作1、了解荷重测量的一般方法，制定利用应变式传感器测量重物的方案； 2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸； 3、应变式荷重传感器结构设计；绘制传感器装配图和部分零件图；4、传感器转换电路的设计和仿真调试； 5、编制设计说明书。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容答疑地点起止日期1布置设计任务。学生查找相关资料教3-1126月21日2选定传感器型式和结构方案；进行相关理论分析与计算；
3、确定传感器主要结构尺寸工学1#-1076月2123日3传感器主要结构设计，装配图、零件图的设计工学1#-1076月2526日4根据所设计的传感器结构，设计转换电路宿舍6月27日5传感器测量转换电路仿真调试宿舍6月28日6传感器制作工艺研究工学1#-1076月29日7撰写设计说明书宿舍6月30日8分组答辩工学1#-1077月1日五、应收集的资料及主要参考文献1、李科杰新编传感器技术手册（M）国防工业出版社，2002年2、强锡富传感器（第3版）（M）机械工业出版社，2001年3、丁镇生传感器及传感技术应用（M）电子工业出版社，1999年4、黄继昌传感器工作原理及应用实例（M）人民邮电出版社，199
4、8年5、陈尔绍传感器实用装置制作集锦（M）人民邮电出版社，2000年6、黄贤武传感器实际应用电路设计（M）电子科技大学出版社，1997年发出任务书日期：2010年6月21日 指导教师签名： （骆德汉、黎勉）（陈益民、查晓春）计划完成日期： 2009年7 月2日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：目录1.压力测量的一般方法的比较与选定31.1压阻式传感器41.2压电式传感器51.3电容式传感器61.4应变式传感器71.5电感式压力传感器92.方案制定112.1轮辐式传感器112.2梁式传感器122.3环式传感器132.4柱式传感器143.弹性元件173.1弹性元件的材料173.1.1弹性元件
5、的要求173.2弹性元件的选择183.2.1常见的弹性元件183.2.2硬化不锈钢材料介绍18_Toc2050281663.3弹性元件的分析和计算193.3.1弹性元件的参数计算193.3.2截面积的计算203.3.3柱高h及其他尺寸的确定214.电阻应变片的选择224.1电阻应变片类型的选择224.2应变计的材料224.2.1应变计敏感栅的材料224.3应变计主要参数的确定244.3.1几何尺寸244.3.2金属箔式应变片254.3.3基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数：255.外壳尺寸确定266测量电路原理分析及设计276.1电阻应变式传感器测量电路的各组成电路：276.1.1电桥电
6、路：276.1.2调零电路：276.1.3手动调幅可调电路:286.2用Multisim实现的转换电路图：296.3参数选定：296.4关键点理论值与模拟值的计算306.5用MATLAB实现的FV曲线对比317.总结与致谢338.主要参考文献349.附录341.压力测量的一般方法的比较与选定压力传感器应用广泛、影响面宽，不只可以测量力和压力，也可用于测量负荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它们都与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，其特点是成本低、不需要电源，但体积大、笨重、输出为非电量。普遍应用的有压阻式、压电式、电容
7、式、电阻式、电感式等等。近几年又发展了微波传感器、超声波传感器、生物传感器、视觉传感器、光纤式传感器等传感器。以下分别介绍一般常用的传感器。放大输出型标定级饼型微型超小型罐筒型同轴嵌入型圆环柱型条型Z型S型汽车工业用表1.1荷重传感器主要类型1.1压阻式传感器 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。其中半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。压阻式传感器便是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。 利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基
8、片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。图1.1为两种微型压阻式传感器的膜片图1.1 两种微型压阻式传感器的膜片图1.2 压阻式传感器实物图1.2压电式传感器压电式传感器以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。按转换方式可以分为正压电效应和逆压电效应。当某些物质在外力作用下变形时，某些相应表面上就会产生异种电荷，去掉外力后又回到不带电状态。这种没有外电场只是形变产生的极化现象称正压电效应。在这些物质
9、上施加电场时不仅产生极化同时还产生了应力或应变，去掉电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能变成机械能的现象称逆压电效应。压电式传感器的工作原理是以物质的压电效应为基础，它是一种发电式传感器。 由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要功能，加上它的体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，固有频率高，灵敏度和信噪比高、动态特性好、耐高温等优点，因此，30多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，许多压电材料的工作温度只有250度左右。按弹性敏感元件和受力机构的形式，压电式传感器可分为膜片式和活塞式两类。图1.2为膜片式压电传感器 图1
10、.3膜片式压电传感器 图1.4压电传感器实物图1.3电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。 电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。随着电子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器。因此它广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中。 电容式传感器的基本原理可以用平板电容器说明。当忽略边缘效应时，其电容C为： C= 式中，S和 ，中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映
11、压力、加速度等的变化；的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。实际应用时，常常仅改变、S和之中的一个参数来使C发生变化。所以电容式传感器可分为三种基本类型：变极距(变间隙)()型（如图1.5所示），变介电常数()型（如图1.6所示）和变面积型（S）型（如图1.7所示）。(a)角位移式 (b)直线位移式图1.7 变面积型电容式传感器图1.8 电容式传感器实物图1.4应变式传感器应变式传感器也称应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应,将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。现已广泛应用于工程测量和科学实验中。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻
12、的电阻应变效应。设有一根长度为L的，截面积为S，电阻率为的金属丝，在未受力时，原始电阻为：R=当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长L，横截面积相应减小S，电阻值R的变化引起电阻的相对变化为：由材料力学知：其中： -沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关； E-弹性模量； -材料所受应力。忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下： =可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。应变式传感器类型有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。 特点： 可测微应变1-2m，且精度高、性能稳定； 尺寸小、重量轻、结构简单，响应快； 测量范围大； 环境要求不高
13、； 便于多点测量。 图1.10 电阻应变片组成图 图1.11 应变式传感器实物图1.5电感式压力传感器在电感式压力传感器中，大都采用变隙式电感作为检测元件，它和弹性元件组合在一起构电感式压力传感器。检测元件由线圈、铁芯、衔铁组成，衔铁安装在弹性元件上。在衔铁和铁芯之间存在着气隙，它的大小随着外力F的变化而变化。其线圈的电感L可按下式计算，即L=N2Rm 式中N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻(1H)，表示物质对磁通量所呈现的阻力。磁通量的大小不但和磁势有关，而且也和磁阻的大小有关；当磁势一定时，磁路上的磁阻越大，则磁通量越小。磁路上气隙的磁阻比导体的磁阻大得多。假设气隙是均匀的，且导磁截面与铁芯的截面相同，在不考虑磁路中的铁损时，磁阻可表示为：Rm=式中l为磁路长度(m)；为导磁体的导磁率(Hm)；A为导磁体的截面积(m2)；为气隙|量(m)；0为空气的导磁率(410-7Hm)。 由于0，因此上式中的第一项可以忽略，代入L=N2Rm 式可得到：L=如果给传感器线圈通以交流电源，流过线圈
