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1、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:佳林学号：0915110629目录一、设计任务分析 3二、方案设计 32.1 原理简述 32.2 应变片检测原理 42.3 弹性元件的选择及设计 52.4 应变片的选择及设计 5三、单元电路的设计 63.1 电桥电路的设计 63.2 放大电路的设计 73.3 移相器的设计 83.4 过零比较器的设计 93.5 相敏检波电路的设计 93.6 低通滤波器的设计 10四、误差分析 10五、心得体会 11六、致 11电阻应变式压力传感器的设计、设计任务分析采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量（压力）传感器，具体
2、要求如下：1. 正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥；2. 选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，3. 并根据测试极限围进行校核；4. 完成传感器的外观与装配设计；5. 完成应变电桥输出信号的后续电路 （包括放大电路、相敏检波电路、低通 滤波电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；、方案设计2.1原理简述电阻应变式传感器为本设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重 力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输 出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显示表头中将电压（V）改
3、为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。本设计所测质量围是 0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对 应的0-10Vo由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏检波电路， 移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。原理框图如图一所示（质量）压力电阻应变片交流电桥5KHZ交 流放大器移相器数显表头低通滤波相敏检波过零比较器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
4、。设一根电阻丝，电阻率为 ，长度为I,截面积为S,在未受力时的电阻值为R= S如图一所示，电阻丝在拉力F作用下，长度I增加，截面S减少，电阻率 也相应变化，将引起电阻变化 R,其值为对于半径r为的电阻丝，截面面积 S= r2，则有s s=2匚r。令电阻丝的 轴向应变为 1 1，径向应变为rr ( 1 |)，由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得R =(1+2 ) R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R R/_K =(1 2 ) 一 从可以明显看出，电阻丝灵敏系数 K由两部分组成：受力后由材料的几何尺受力引起(1 2 );由材料电阻率变化引起的()_1
5、。对于金属丝材料，(.)_1项的值比(1 2 )小很多，可以忽略，故K 1 2 。大量实验证明在电阻丝拉伸比例极限，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。通常金属丝的=1.73.6。可写成R = K-R2.3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 lOOOMpa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
6、式计算：二如Ebh式中：距自由端为l0处的应变值；l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，选取现校核如下：I =20mm, lo=14mm,b=1Omm,h=3mm6FI0bh236 100 14 103610 10-9 10-Mpa=93.3Mpa 1000Mpa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120Q,其基底尺寸是2.4 2
7、.4 （mm mm ）。同时敏感珊的材料选择铂 因为其灵敏系数达Ks=4.6，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10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:=6FI。=Ebh2-36 100 14 109-3-6=4.4 1040时，其导通，U4A正极为0 电位，信号从负
8、极输入，放大倍数为-巴=-1，此时U1out 0;当U3out V0时，R8JFET截止，信号从正极输入，放大倍数为1,此时Ulout V 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。out（接表头显示）1R10C1=40HZ若取R10=1kQ，则由可解得 3= 4uF,另外取R9=50Q,则此环节实现的放大倍数是-空=-20
9、，则实现了放大倍数的另一级分配，也还R9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
10、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。
11、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。您的悉心教导、认真细致、和对我的高要求，正是严师出高徒。也在座 各位同学的帮助。
