板環(huán)式拉力傳感器課程設(shè)計(jì)

1、 湖南科技大學(xué)傳感器與測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：板環(huán)式拉力傳感器 學(xué)院名稱： 機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 10級(jí)測(cè)控3班 學(xué)生姓名： 宋權(quán)杰 指導(dǎo)教師姓名： 楊書(shū)儀 余以道 2013年6月12日目錄摘要.1設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū).1第一章 德普施應(yīng)變式傳感器.2 1.1工作原理.3 1.2 電阻應(yīng)變片4第二章 測(cè)量電路5 2.1測(cè)量電橋6 2.2運(yùn)算放大器LF3567 2.3 放大電路8 2.3.1 一級(jí)放大電路8 2.3.2 調(diào)零電路9 2.3.3 可調(diào)二級(jí)放大電路.10第三章 測(cè)量資料及測(cè)量?jī)x的標(biāo)定.11 3.1 測(cè)量參數(shù).12 3.2 測(cè)量?jī)x的標(biāo)定.13第四章 誤差分析.13第五章 個(gè)人小結(jié).14

2、參考文獻(xiàn).15摘要 傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門(mén)綜合技術(shù)學(xué)科，是現(xiàn)今科學(xué)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?，F(xiàn)代測(cè)量、控制與自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子信息科學(xué)的發(fā)展，極大的促進(jìn)了現(xiàn)代傳感器的發(fā)展。同時(shí)我們也看到，傳感器在日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以說(shuō)它已成為測(cè)試測(cè)量不可或缺的環(huán)節(jié)。因此學(xué)習(xí)、研究并在實(shí)踐中不斷應(yīng)用傳感器技術(shù)具有重大意義。鑒于此，本次課程設(shè)計(jì)力圖通過(guò)對(duì)常用傳感器的設(shè)計(jì)運(yùn)用使我們加深對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和理解并逐步將課本上學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為實(shí)際生產(chǎn)力，以培養(yǎng)我們學(xué)以致用的求學(xué)質(zhì)量。拉力傳感器是用來(lái)將重量信號(hào)或拉力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，拉力傳感器采用金屬電阻應(yīng)

3、變計(jì)組成測(cè)量橋路，利用金屬電阻絲在拉力作用下伸長(zhǎng)變細(xì)，電阻增加的原理，既金屬電阻隨所受應(yīng)變變化而變化的效應(yīng)而制成的。本次課程設(shè)計(jì)中的傳感器共由以下幾部分組成：全橋電路、差動(dòng)放大電路、調(diào)零電路和最后的放大標(biāo)定電路。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)應(yīng)變式傳感器具有精度高、測(cè)量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單質(zhì)輕便攜、能適應(yīng)惡劣的工作條件、價(jià)格低廉品種多樣等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是輸出信號(hào)微弱易受干擾等，但可采取一定的補(bǔ)償措施。所以它是非電量電檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最廣泛和最有效的敏感組件，廣泛地應(yīng)用于工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。設(shè)計(jì)要求：本次課程設(shè)計(jì)要求利用電阻應(yīng)變?cè)碓O(shè)計(jì)一個(gè)板環(huán)式拉力傳感器，要求電路的輸出值（mv）與被測(cè)物體所受拉力（F）數(shù)值上相等，并輸出

4、穩(wěn)定，消除零漂。設(shè)計(jì)原理：當(dāng)被測(cè)物受到外界的拉力而產(chǎn)生微小變形時(shí)，會(huì)導(dǎo)致貼在彈性體上的應(yīng)變片發(fā)生形變，則應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化。應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化將使差動(dòng)全橋電路的輸出電壓不為零，且此值與應(yīng)變片的形變呈線性關(guān)系，即與物體所受拉力呈線性關(guān)系。由于全橋輸出的電壓值很小，必須經(jīng)放大電路放大。放大電路的輸出電壓值也與物體所受拉力呈線性關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)了由非電量到電量的轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)所需組件：德普施應(yīng)變傳感器一臺(tái) LM356運(yùn)算放大器3個(gè) 導(dǎo)線、電阻若干 滑動(dòng)變阻器3個(gè)（1一個(gè)、50一個(gè)） 電路板一塊 萬(wàn)用表一臺(tái) 直流電源（+5V、+12V、-12V） 。第一章 板環(huán)式拉力傳感器1.1工作原理 板環(huán)式拉力傳感

5、器的工作原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。 板環(huán)式拉力傳感器的優(yōu)點(diǎn)：量程大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于使用，頻響特性好，能在惡劣條件下工作。因此它廣泛應(yīng)用于起重、起吊行業(yè)中。1.2 電阻應(yīng)變片設(shè)有一段長(zhǎng)為，橫截面積為s，電阻率為的固態(tài)導(dǎo)體，它具有的電阻R為R=/s（） (11)當(dāng)它受軸向力F而被拉伸（或壓縮）時(shí)，其、s、均發(fā)生變化，對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)后再微分，可求得電阻相對(duì)變化R/R=

6、/+/-s/s (12)由s= *r2得s/s=2r/r (13)由材料力學(xué)r/r=-/ (14)綜合上述各式可得R/R=/+/+2/=K*/ (15)其中K=1+2+（/）/（/）式15說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率和電阻絲伸長(zhǎng)率的關(guān)系。其中K值為應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)。它表示：安裝在被測(cè)試件上的應(yīng)變計(jì)，在其軸向受到單向應(yīng)力時(shí)引起的電阻相對(duì)變化，與此單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變之比。但靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的固有性質(zhì)所決定的，與應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)。第2章 測(cè)量電路2.1測(cè)量電橋由于應(yīng)變片的電阻值會(huì)隨溫度的變化而變化，從而影響傳感器的性能，所以必須采取溫度補(bǔ)償措施。我們采

7、用的是差動(dòng)全橋電路輸出。差動(dòng)電橋是利用電橋輸出特性中呈現(xiàn)的相對(duì)臂與相鄰臂之間的“和”、“差”特征，通過(guò)應(yīng)變片的合理布片與接橋來(lái)達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。電路原理圖如圖所示，其中R1=R2=R3=R4，Ui=5V。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)傳感器受到外界拉力后，紅白兩應(yīng)變片的輸出電壓增大，藍(lán)黑兩應(yīng)變片的輸出電壓減小，說(shuō)明紅白兩應(yīng)變片貼在彈性體上方受拉應(yīng)力，藍(lán)黑兩應(yīng)變片貼在彈性體下方受壓應(yīng)力。所以接入電橋相對(duì)臂受拉（R1/R1，R4/R4）相鄰臂應(yīng)變片受壓（-R2/R2，-R3/R3）則有Uo=Ui/4（R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4）。從式中可見(jiàn)當(dāng)溫度引起相同的阻值變化時(shí)，既R1=R2=R3=R4，輸

8、出值U0不變，從而起到溫度補(bǔ)償作用。【1】2.2運(yùn)算放大器LM356LF356功能介紹： LF356芯片如圖21所示，是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于LF356具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以LF356在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。可替代昂貴的和模塊FET運(yùn)算放大器； 與MOSFET輸入運(yùn)算放大器 設(shè)備相比，耐用的JFET允許無(wú)熔斷處理； 高或低的源阻抗低1/折，優(yōu)良的低噪聲應(yīng)用； 在大多數(shù)單片放大器上，偏置調(diào)整不可降解漂移或共模抑制； 新輸出電路級(jí)允許大電容負(fù)載(5000pF)的使用，無(wú)穩(wěn)定性的問(wèn)題； 內(nèi)部補(bǔ)償和大的差分輸入電壓能力； 對(duì)數(shù)放大器； 光電放大器；

9、采樣保持電路共同特點(diǎn)； 低輸入偏置電流：30pA； 低輸入失調(diào)韉電流3pA；高輸入阻抗：1012； 低輸入噪聲電流：0.01pA/HZ ；高共模抑制比：100dB； 大的DC電壓增益：106dB，頻率：4.5MHz。圖212.3 放大電路由于應(yīng)變式傳感器的輸出信號(hào)很微弱，只有幾mv,很難用電壓表測(cè)量。因此，為了便于測(cè)量并提高測(cè)量精度，必須接入放大電路。另外由于儀器本身的誤差，在傳感器未受到外界拉力時(shí)，仍會(huì)有一電壓輸出值，既零位電壓，應(yīng)設(shè)法利用電路消除。橋路輸出放大電路如圖22所示，下面將逐級(jí)分析電路的組成和作用?！?】圖222.3.1 一級(jí)放大電路一級(jí)放大電路如圖23所示，這是利用LF356運(yùn)

10、算放大器構(gòu)成的一差動(dòng)放大電路。輸出值Uo1=-10Ui。由于應(yīng)變式傳感器的輸出電壓很小，很難通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器得到一個(gè)與它相等的值，因而必須適當(dāng)放大，這個(gè)電路將電橋輸出電壓值適當(dāng)放大，為下一級(jí)的調(diào)零電路鋪墊。其放大倍數(shù)為100K/10K=10?！?】圖232.3.2 調(diào)零電路電路圖如圖24所示，這是利用LF356運(yùn)算放大器構(gòu)成的加減法電路，用來(lái)消除零位電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使得放大器的正負(fù)兩端輸出的電壓相等，由于其符號(hào)相反，則總的輸出電壓為零。即實(shí)現(xiàn)了調(diào)零。圖242.3.3 可調(diào)二級(jí)放大電路電路圖如圖25所示，可通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)，其最大放大倍數(shù)為50，倍數(shù)可調(diào)范圍較大，

11、從而能使輸出電壓（mv）與被測(cè)物體收受拉力（F）在數(shù)值上相等。即實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中的標(biāo)定。圖25第三章 測(cè)量參數(shù)和測(cè)量?jī)x的標(biāo)定3.1 測(cè)量參數(shù)額定載荷 Rated Load10,20,30,40t靈敏度Sensitivity2.0±0.002mv/v綜合誤差 Total error±0.05F.S蠕變(30分鐘)Creep(30min)±0.05F.S零點(diǎn)平衡 Zero balance±1F.S零點(diǎn)溫度影響 TCO±0.05F.S/10輸出溫度影響 TC SPAN±0.05F.S/10輸入阻抗 Input resistance400

12、77;10輸出阻抗 Output resistance352 ±5絕緣電阻礙Insulation resistance5000M工作溫度范圍內(nèi)Operating Temp Range-30+70安全過(guò)載 Safe load limit150F.S極限過(guò)載 Over load limit200F.S推薦激勵(lì)電壓Recommendexcitation1012V DC最大激勵(lì)電壓 Maximumu excitation15V DC密封等級(jí) Protection ClassIP67材質(zhì) Construction合金鋼Alloy Steel電纜 Cable3.2 測(cè)量?jī)x的標(biāo)定線性度: 1.48

13、86/1004.5×100%=0.15%靈敏度：K=2.0回差:3.2144/1004.5×100%=0.32%零漂:2mv第四章 誤差分析 誤差的形成主要來(lái)源于溫度誤差，其次是放大器的失調(diào)電壓和失調(diào)電流。造成溫度誤差的原因主要有以下兩個(gè)：電阻應(yīng)變片隨溫度變化引起的誤差1、試件材料與應(yīng)變絲材料的膨脹系數(shù)不同使應(yīng)變片產(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(guò)橋路進(jìn)行補(bǔ)償，如本設(shè)計(jì)中的差動(dòng)全橋電路就很好的實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。2、電橋本身具有非線性誤差，相對(duì)于金屬絲應(yīng)變片的誤差，電橋非線性誤差可以忽略，所以也不影響本次設(shè)計(jì)。最后對(duì)于低頻干擾，我們盡量通過(guò)電路的優(yōu)化除去干

14、擾。因此，從理論上說(shuō)，本次設(shè)計(jì)的誤差還是得到了比較好的控制。第五章 個(gè)人小結(jié)兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)會(huì)了如何使用AUTOCAD和用Protel DXP畫(huà)圖，這使我很有成就感。課程設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程”千里之行始于足下”，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開(kāi)這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)通過(guò)這次電子稱的設(shè)計(jì)，本人在

15、多方面都有所提高。首先綜合運(yùn)用本專(zhuān)業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)進(jìn)行一次電子稱設(shè)計(jì)工作的實(shí)際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高了我的獨(dú)立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握了傳感器設(shè)計(jì)的方法和步驟，掌握了如何將運(yùn)算放大器的調(diào)零和電壓失調(diào)，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，體會(huì)了學(xué)以致用、突出自己勞動(dòng)成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。在此感謝我們的余以道老師.和楊書(shū)儀老師，老師們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪；這次傳感器設(shè)計(jì)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個(gè)數(shù)據(jù)，都離不開(kāi)老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開(kāi)朗的個(gè)性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計(jì)。同時(shí)爺感謝在課程設(shè)計(jì)中