基于電阻應變片的位移傳感器課程設計(共11頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上1. 緒論1.1相關背景傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的特點包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺 和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感 元件、色敏元件和味敏元件等十大類。人們?yōu)?/p>

2、了從外界獲取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產也就失去了基礎。在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位。

3、現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，進入了許多新領域：例如在宏觀上要觀察上千光年的 茫茫宇宙，微觀上要觀察小到fm的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到秒的瞬間反應。此外，還出現(xiàn)了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超 弱磁場等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難， 而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海

4、洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。1.2設計概述電阻應變式傳感器（straingauge type transducer ）以電阻應變計為轉換元件的電阻式傳感器。電阻應變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設計成多種

5、結構形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產生變形，并使附著其上的電阻應變計一起變形。電阻應變計再將變形轉換為電阻值的變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。本次設計主要內容是基于電阻應變片的位移傳感器及其放大、整流、濾波電路的設計。本次設計的主要目的和意義：根據(jù)位移傳感器的測量量程以及測量精度，選取合適的電阻應變片材料、阻值以及粘貼方式，根據(jù)其需要，接成半橋單臂、半橋雙臂或者是全橋的形式，由于傳感器輸出的電壓較小，而且存在著一定的干擾信號，需要經(jīng)放大電路放大至伏級電壓，并且經(jīng)過測控電路整流濾波之后，以便后接儀表或者是A/D轉換器進行數(shù)據(jù)輸出。主要技術指標要求：測量量程0

6、100mm大位移，誤差在1%以內應用范圍：適用于0100mm位移的測量，廣泛應用于交通運輸安全監(jiān)測中，常用在工業(yè)自動化或者建筑橋梁方面。根據(jù)位移量的大小輸出大小不同的電信號，進而判斷位移量的大小。2. 方法論證2.1電阻應變片式位移傳感器工作原理及其特點工作原理：如圖2.1所示，傳感器總體由6部分構成，分別是：1.測量頭2.彈性元件3.彈簧4.外殼5.測量桿6.調整螺母。 應變式位移傳感器是把被測位移量轉變成彈性元件的變形和應變，彈性元件與彈簧采取串聯(lián)方式，然后通過應變計和應變電橋，輸出正比于被測位移的電量。通過測量電阻應變片的阻值變化，進而經(jīng)過測控電路處理得到要測量的位移量。圖2.1電阻應變

7、式位移傳感器結構 彈性敏感元件的作用是組成傳感器的主要敏感元件，要根據(jù)被測量的參數(shù)來選擇其具體的結構形式，電阻應變片的作用就是傳感器中的轉換元件，將被測的物理量轉化為電阻變化，再經(jīng)過轉換電路轉換為具體的電量輸出。電阻應變片有多種形式，常用的有絲式和箔式。它是由直徑為0.020.05mm的康銅絲或者鎳鉻絲繞成柵狀（或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀）夾在兩層絕緣薄片（基底）中制成，用鍍錫銅線與應變片絲柵連接作為應變片引線，用來連接測量導線。電阻應變片的工作原理：金屬絲的電阻值除了與材料的性質有關之外，還與金屬絲的長度，橫截面積有關。將金屬絲粘貼在構件上，當構件受力變形時，金屬絲的長度和橫截面積也隨著構件

8、一起變化，進而發(fā)生電阻變化。dR/R=Ks*其中，Ks為材料的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應變的電阻變化率，標志著該類絲材電阻應變片效應顯著與否。為測點處應變，為無量綱的量，但習慣上仍給以單位微應變，常用符號表示。由此可知，金屬絲在產生應變效應時，應變與電阻變化率dR/R成線性關系，這就是利用金屬應變片來測量構件應變的理論基礎。2.2測量特點2.2.1電阻應變式傳感器主要具備以下幾個優(yōu)點：1、精度高2、測量范圍廣壽命長3、結構簡單，頻響特性好4、能在惡劣條件下工作5、易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等2.2.2電阻應變式傳感器同時具有以下缺點：對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可采取一

9、定的后續(xù)補償措施。2.3彈性元件的選擇 當外界載荷作用于物體上時，其形狀和參數(shù)都將發(fā)生一定的變化，這一過程我們稱之為物體的變形。當去掉外界載荷后，物體形變變?yōu)?，這種變形我們稱之為彈性變形。這種物體我們稱之為彈性元件。 在傳感器中，通常使用彈性元件直接感受被測量，作為測量過程的最前端。這樣的彈性元件，既充分利用彈性變形實現(xiàn)測量機理的元件就是彈性敏感元件。彈性元件是傳感器，儀器儀表的核心，在傳感技術中有著非常豐富的應用。傳感器中常用的彈性元件主要有：梁，柱式，弦絲，平模片，波紋膜片，膜盒，殼體，彈簧管，波紋管等。在實現(xiàn)測量過程中，根據(jù)不同彈性元件的結構特點，可以利用其在外界載荷作用下的等效剛度，

10、等效質量或等效阻尼間接進行測量。本次課程設計中，我們主要討論采用梁式力傳感器，可以采用的方案有等強度梁，和等截面梁。本次課程設計我們采用如圖2.3所示的等強度梁。一端固定，一端自由，厚度為h，長度為l，固定端寬度為b0，力F作用在延伸出部分頂點，其表面應變?yōu)椋?6lFEb0h²圖2.3等強度梁的結構圖2.4所示為等強度梁的應變片粘貼方式，R1、R4同側，R2、R3同側，這兩側的應變方向剛好大小相等，方向相反，可構成全差動電橋。圖2.4等強度梁的貼片方式我們需要選擇彈性元件材料，根據(jù)新編傳感器手冊中查詢及位移傳感器的使用特性和具體性能指標，我們選取17-4PH不銹鋼作為彈性元件的制造材

11、料，主要原因是17-4PH不銹鋼具備我們需要的這些優(yōu)點：17-4PH合金是沉淀、淬火、馬氏體不銹鋼，具有較高的強度，硬度和抗腐蝕特性。經(jīng)過熱處理后，機械性能更為完善，可以達到高達1100-1300MPa的耐壓強度。正是因為具備以上優(yōu)點，所以選它作為應變式拉/壓彈性元件材料。其泊松比為0.272 彈性模量為195 x 103MPa。屈服強度為620MPa。3. 相關理論分析計算及部件設計3.1彈性元件的尺寸設計我們選擇等強度梁作為彈性元件，梁表面的應變?yōu)?6lFEb0h²，我們預先設定梁的厚度h=1.5mm，長度l=4cm，材料為17-4PH不銹鋼，其屈服強度為620MPa，取安全系數(shù)

12、為2.3，則其許用應力b=270MPa，許用切應力為148.5MPa，彈簧取70號彈簧鋼，初始長度為12cm，彈性系數(shù)K=300N/m，由于量程為0100mm，因此最大延伸量取L=12cm，即Fmax=30N。由于梁在最大載荷下梁的應力不得超過材料的許用應力b，由公式可以進一步求得梁的寬度b0，b0=6Flh2b。代入數(shù)據(jù)可得，b01.2cm，取b0=2.5cm。等強度梁的頂端截面積最小寬度應該由材料的允許切應力來決定。b3F2h代入數(shù)據(jù)，可得，b0.202mm，取b=1.5mm。3.2應變片的選擇查閱手冊，我們可以得到如表3.2所示的應變片性能參數(shù)表金屬應變片薄膜應變片厚膜應變片應變片厚度5

13、0300m15m525m電阻值2503506002000102106應變系數(shù)K24241020綜合精度0.1%0.5%0.1%0.5%0.3%0.5%功耗（10V）3010mA<10mA<2mA穩(wěn)定性差好好 表3.2應變片性能參數(shù)表4. 根據(jù)位移式傳感器的使用特性和性能指標，本設計使用金屬應變片作為測量拉-壓應力的應變片。金屬應變片又分為金屬絲式應變片，金屬箔式應變片和金屬薄膜式應變片，本設計中我們選用金屬箔式應變片。貼片膠我們選用1720膠。金屬箔式應變片具有以下優(yōu)點：（1）.制作簡單（2）.穩(wěn)定性能較好（3）價格較低（4）易于粘貼。應變片型號為BH-AA系列箔式應變片，為了提高

14、靈敏度，常使用較高的供電電壓，但是隨著電壓升高，應變片的發(fā)熱量也會隨之上升。誤差也就隨之增大。應選用較大的阻值，在這里，我們選用阻值R=350，國家標準中規(guī)定的常溫應變片使用溫度為-3060, 一般康銅合金的最高使用溫度為 300，所以，敏感柵材料在這里我們選用康銅合金，其靈敏系數(shù)Ks=2，由于設計中我們采用的是等強度梁，等強度梁的應變分布較為均勻，可以選用柵長較大的應變片，綜合以上分析，我們選擇BH350-2AA型箔式應變片，敏感柵面積為2.0*2.4mm2標稱電阻350，基底尺寸為6.0*3.6 mm2，基底材料要求機械強度高，粘貼容易，電絕緣性好，熱穩(wěn)定性好，抗潮濕性能好，撓性好（能夠粘

15、貼在曲率半徑很小的曲面上），無滯后和蠕變。我們在這里選擇膠基，環(huán)氧樹脂基底，用于位移傳感器的應變片。3.3應變參數(shù)校驗結束應變片尺寸選擇和彈性元件的材料、尺寸、形式的選擇之后，我們對所選擇的參數(shù)進行校驗。等強度梁的應變公式為：=6lFEb0h² E：彈性元件彈性模量 l：彈性元件長度彈簧作用力F=KL K：彈簧的彈性系數(shù) L：彈簧伸長量F的范圍為0-30N，E=195 x 103MPa，b0=2.5cm，彈性元件應變范圍為 =6lFEb0h²=0656m。656m<1000m，因此，彈性元件應變范圍合格。彈性元件所承受的最大應力為：b=6Flh2b0=6*30N*0.

16、04m0.0015m*0.0015m*0.025m=128MPa<270MPa。彈性元件承受的最大切應力為3F2bh=3*30N2*0.0015m*0.0015m=20MPa<148.5MPa。校驗結果表明，所選用的彈性元件各方面符合設計要求。3.4殼體及元件材料選擇懸臂梁材料要求彈性好，穩(wěn)定性好，我們這里選擇17-4PH彈簧鋼做懸臂梁彈簧采用70號彈簧鋼制彈簧，取K=300N/m,初始長度為12cm，極限延展長度為12cm測量頭要求性能穩(wěn)定，剛度和強度足夠高，經(jīng)濟性好，我們這里選用較為常見，價格較為低廉的304不銹鋼作為材料測量桿要求有較大剛度，避免出現(xiàn)受力彎曲現(xiàn)象，因此我們選用

17、Mn合金鋼作為測量桿的材料。外殼要求輕巧，價格便宜，不易腐蝕，易加工，因此我們選擇鋁合金作為外殼材料。4.測量電路原理以及設計4.1直流穩(wěn)壓電源的設計由于我們采用了差動全橋的設計，需要4V直流穩(wěn)壓電源給全橋供電，因此我們需要設計一個4V直流穩(wěn)壓電源。電路設計如圖4.1所示 圖4.1直流穩(wěn)壓電源的設計圖4.1.1直流穩(wěn)壓電源設計思路： 電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓； 降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大； 脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留

18、其直流成份； 濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負載4.1.2電路原理交流電網(wǎng)220V的電壓經(jīng)過變壓器降壓之后，通過整流、濾波、穩(wěn)壓之后才可以送到負載，變壓器副邊電壓為 U2=2U1sint 1.1其中U2為有效值。變壓之后，利用單向導電元件二極管，把50Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。在U2的正半周內，二極管D1、D2導通，D3、D4截止；U2的負半周內，D3、D4導通，D1、D2截止。正負半周內部都有電流流過負載電阻RL，且方向是一致的。整流之后的電流中還含有較多的交流成分。通過濾波電路可濾除整流電路輸出電壓中的交流成分，使電壓波形變

19、得平滑。常見的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復式濾波等。 在整流電路的輸出端，即負載電阻RL兩端并聯(lián)一個電容量較大的電解電容C，則構成了電容濾波電路。濾波之后的電流還是很不穩(wěn)定的，直流電壓Ui受電網(wǎng)電壓的波動和負載電流變化的影響很難保證輸出電流電壓的穩(wěn)定。所以必須在濾波電路和負載一直加上穩(wěn)壓電路，才能保證輸出直流電壓的進一步穩(wěn)定。電路中可以采用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，晶體管穩(wěn)壓電路。這里采用集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。由于設計要求連續(xù)可調，采用三端可調式集成穩(wěn)壓器LM317。 輸出表達式為：UO=(1+R1R2)UREF 1.2其中，是集成穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調整端之間的固有參考電壓。改變R2的值，Uo的值即可改變。當R2短路時，Uo最小，為即1.25