電阻應(yīng)變式壓力傳感器設(shè)計(jì)

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)電阻應(yīng)變式壓力傳感器的設(shè)計(jì)學(xué)院：信息技術(shù)學(xué)院指導(dǎo)老師：蔡杰 班級(jí)：B1106 姓名：張佳林 學(xué)號(hào)：0915110629 目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)分析2二、方案設(shè)計(jì)22.1原理簡(jiǎn)述22.2應(yīng)變片檢測(cè)原理32.3彈性元件的選擇及設(shè)計(jì)42.4應(yīng)變片的選擇及設(shè)計(jì)5三、單元電路的設(shè)計(jì)63.1電橋電路的設(shè)計(jì)63.2放大電路的設(shè)計(jì)63.3移相器的設(shè)計(jì)73.4過零比較器的設(shè)計(jì)83.5相敏檢波電路的設(shè)計(jì)93.6低通濾波器的設(shè)計(jì)9四、誤差分析10五、心得體會(huì)10六、致謝11電阻應(yīng)變式壓力傳感器的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)分析采用電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)一種電阻應(yīng)變式質(zhì)量（壓力）傳感器，具體要求如下：1. 正確選取電阻應(yīng)變片的

2、型號(hào)、數(shù)量、粘貼方式并連接成交流電橋；2. 選取適當(dāng)形式的彈性元件，完成其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和受力分析，3. 并根據(jù)測(cè)試極限范圍進(jìn)行校核；4. 完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計(jì)；5. 完成應(yīng)變電橋輸出信號(hào)的后續(xù)電路（包括放大電路、相敏檢波電路、低通濾波電路）的設(shè)計(jì)和相關(guān)電路參數(shù)計(jì)算，并繪制傳感器電路原理圖；二、方案設(shè)計(jì)2.1原理簡(jiǎn)述電阻應(yīng)變式傳感器為本設(shè)計(jì)的主要部件，傳感器中的彈性元件感受物體的重力并將其轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片的電阻變化，再利用交流全橋測(cè)量原理得到一定大小的輸出電壓，通過電路輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)重量的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，在顯示表頭中將電壓（V）改為質(zhì)量（kg）即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物品質(zhì)量的稱重。

3、本設(shè)計(jì)所測(cè)質(zhì)量范圍是0-10kg，同時(shí)也將后續(xù)處理電路的電壓處理為與之對(duì)應(yīng)的0-10V。由于采用了交流電橋，所以后續(xù)電路包括放大電路，相敏檢波電路，移相電路，波形變換電路，低通濾波電路（顯示電路本次未設(shè)計(jì)）。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(cè)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(cè)量壓力的彈性元件表面上，當(dāng)被測(cè)壓力變化時(shí)，彈性元件內(nèi)部應(yīng)力變形，這個(gè)變形應(yīng)力使應(yīng)變片的電阻產(chǎn)生變形，根據(jù)所測(cè)電阻變化的大小來測(cè)量未知壓力，也實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)未知質(zhì)量的檢測(cè)。設(shè)一根電阻絲，電阻率為，長(zhǎng)度為,截面積為S，在

4、未受力時(shí)的電阻值為 R= - 圖一 金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化如圖一所示，電阻絲在拉力F作用下，長(zhǎng)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= -對(duì)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)?，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 -通常把單位應(yīng)電所引起的電阻相對(duì)變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達(dá)式為= - 從可以明顯看出，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(duì)于金屬絲材料，項(xiàng)的值比小很多，可以忽略，故。大量實(shí)驗(yàn)證明在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即為常數(shù)。

5、通常金屬絲的=1.73.6?？蓪懗? -2.3彈性元件的選擇及設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)對(duì)質(zhì)量的檢測(cè)是通過對(duì)壓力的檢測(cè)實(shí)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(jì)手冊(cè)，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(shí)本次設(shè)計(jì)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(jì)算： 式中： 距自由端為處的應(yīng)變值； 梁的長(zhǎng)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(jì)，選取=20mm, =14mm,b=10mm,h=3

6、mm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(jì)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合本次設(shè)計(jì)的應(yīng)用。選擇4片箔式應(yīng)變片（BX120-02AA）阻值為120，其基底尺寸是（）。同時(shí)敏感珊的材料選擇鉑因?yàn)槠潇`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(zhǎng)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(duì)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

7、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(jì)3.1電橋電路的設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償，因此選擇全橋電路作為測(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn)調(diào)零用的，取C2=1uF，R5=1.8k。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

8、為： 圖三 交流電橋3.2放大電路的設(shè)計(jì)由于傳感器輸出的電壓比較小，因此需對(duì)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(hào)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(jí)為這里放大50倍，因此解得R4=1.008k。3.3移相器的設(shè)計(jì)因?yàn)殡姌螂娐份敵龅碾妷簩?duì)載波信號(hào)有一定的超前角，一般為幾度到幾十度，因此在把載波信號(hào)作為相敏檢波的參考電壓前需對(duì)其進(jìn)行一定的移相處理圖五為0-90°的移相電路。

9、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?yàn)榈臄?shù)量級(jí)為，所以可以取C3=100uF,這樣R（R12）可以設(shè)定在500范圍，即實(shí)現(xiàn)相角在0-90°移動(dòng)。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(jì) 在進(jìn)行相敏檢波時(shí)，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(gè)過零比較器LM339實(shí)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(jì)由于采用的交流電壓不能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，其導(dǎo)通，U4A正極為0

10、電位，信號(hào)從負(fù)極輸入，放大倍數(shù)為，此時(shí)0；當(dāng)0時(shí)，JFET截止，信號(hào)從正極輸入，放大倍數(shù)為1，此時(shí)0。因此，相敏檢波實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的判別，只是與原信號(hào)相差一個(gè)負(fù)號(hào)。3.6低通濾波器的設(shè)計(jì)由于經(jīng)過相敏檢波后的電壓還混有高頻載波信號(hào)，所以需將其濾掉，又因?yàn)橄嗝魴z波后輸出的電壓與原信號(hào)差一個(gè)負(fù)號(hào)，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(hào)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=1k，則由 可解得C1=4uF，另外取R9=50，則此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的放大倍數(shù)是，則實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)的另一級(jí)分配，也還原了原始信號(hào)的相位。 所以至此，就實(shí)現(xiàn)了原始信

11、號(hào)的測(cè)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(duì)應(yīng)的0-10V的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的稱重，也即1kg物體對(duì)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(gè)：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(zhǎng)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(jì)中的全橋電路就很好地實(shí)現(xiàn)了溫度的補(bǔ)償其次，電橋還具有非線性誤差，由于對(duì)

12、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(jì)。 最后，對(duì)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(jì)中的誤差還是比較好地得到了控制。五、心得體會(huì)我認(rèn)為，在這學(xué)期的傳感器學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)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(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)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(guó)提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后變的更加成熟，會(huì)面對(duì)需要面對(duì)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