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文檔簡介
傳感器具與測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目:電阻應(yīng)變式壓力傳感器設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師年月日設(shè)計(jì)題目:電阻應(yīng)變式壓力傳感器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo):采用電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)測量壓力的傳感器,設(shè)計(jì)時(shí)自行確定被測變量及測試范圍,并根據(jù)測量的需要選擇應(yīng)變片的型號(hào)、數(shù)量、粘貼方式以及彈性元件的結(jié)構(gòu)形式、相關(guān)測試電路等。設(shè)計(jì)內(nèi)容:1)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,并根據(jù)測試極限范圍進(jìn)行校核;2)正確選取電阻應(yīng)變片的型號(hào)、數(shù)量、粘貼方式;3)設(shè)計(jì)電橋電路,完成輸出信號(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;4)完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計(jì),按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制傳感器機(jī)械裝配圖(3號(hào)圖紙)、彈性元件圖(4號(hào)圖紙)各一張。5)按學(xué)校課程設(shè)計(jì)說明書撰寫規(guī)范提交一份課程設(shè)計(jì)說明書(5000字左右);1設(shè)計(jì)方案的選擇電阻應(yīng)變式壓力傳感器的框圖如圖1所示。圖1應(yīng)變式壓力傳感器組成框圖本次傳感器課程設(shè)計(jì)選用應(yīng)變式拉壓傳感器。設(shè)計(jì)中只要把電阻應(yīng)半片貼在承受負(fù)載的彈性元件上,通過測量彈性元件的應(yīng)變大小即可求出對(duì)應(yīng)的負(fù)載大小,而彈性元件的應(yīng)變大小可以通過應(yīng)變片電阻大小的變化量來求得。應(yīng)變片電阻大小可以通過選擇不同的測量電橋來測得。2元器件的選擇和有關(guān)計(jì)算2.1彈性元件彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有極為重要的地位。在傳感器工作過程中,一般是由彈性敏感元件首先把各種形式的非電物理量變換成應(yīng)變量或位移量等,然后配合各種形式的轉(zhuǎn)換元件,把非電量轉(zhuǎn)換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應(yīng)用最廣泛的元件。根據(jù)彈性體的結(jié)構(gòu)形式的不同可分為:輪輻式,梁式,環(huán)式,柱式等。在測量拉/壓力上主要用到的是柱式傳感器。柱式傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種,如圖2所示。(a是實(shí)心,b是空心)圖2柱式傳感器的彈性元件2.1.1在設(shè)計(jì)傳感器以前,首先應(yīng)選擇好彈性元件材料。對(duì)彈性元件材料提出以下要求:1)強(qiáng)度高,彈性極限高;2)具有高的沖擊韌性和疲勞極限;3)彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定;4)熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織,且各向同性;5)熱膨脹系數(shù)小; 6)具有良好的機(jī)械加工和熱處理性能;7)具有高的抗氧化、抗腐蝕性能;8)彈性滯后應(yīng)盡量小。常用材料:結(jié)構(gòu)鋼CrNiMo,30CrMnSiNi2A)、鋁合金、鈦合金等。材料的彈性模量、泊松比、密度和熱膨脹系數(shù)如表1所示:表1常用材料彈性模量泊松比材料名稱彈性模量E(GPa)泊松比密度(kg/m3)熱膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)鋼190-2100.27-0.30785012鋁合金70-790.332600-280023鈦合金100-1200.3345008.1-11經(jīng)過比較知結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量最大,熱膨脹系數(shù)最小,適合應(yīng)用制作負(fù)重大的傳感器,故本次課程設(shè)計(jì)選用結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A。2.1.2彈性元件的參數(shù)計(jì)算1.彈性體結(jié)構(gòu)形式的確定實(shí)心圓柱可以承受較大的負(fù)荷,在彈性范圍內(nèi),則應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。ε=(2-1)式1-1中:F—作用在彈性元件上的集中力;S—圓柱的橫截面積。圓柱的直徑根據(jù)材料的允許應(yīng)力來計(jì)算。由于F/S≤[σ](2-2)而S=πd2/4(2-3)式1-3中d為實(shí)心圓柱直徑。則直徑d(2-4)空心圓柱彈性元件的直徑也要根據(jù)允許應(yīng)力計(jì)算。同理(2-5)式1-5中:D—空心圓柱外徑;d—空心圓柱內(nèi)徑。根據(jù)式(1-2)和式(1-5)可知(2-6)所以D(2-7)彈性元件的高度對(duì)傳感器的精度和動(dòng)態(tài)特性都有影響。由材料力學(xué)可知,高度對(duì)沿其橫截面的變形有影響。當(dāng)高度與直徑的比值H/D〉〉1時(shí),沿其中間斷面上的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)與其端面上作用的載荷性質(zhì)和接觸條件無關(guān)。試驗(yàn)研究的結(jié)果建議采用H>>2D+L(2-8)式1-8中L為應(yīng)變片的基長。對(duì)于空心的圓柱為H≥D-d+L(2-9)因此,經(jīng)比較分析選取空心圓柱作為彈性體。2.空心圓柱內(nèi)外徑的確定由2.1.1知本次課程設(shè)計(jì)采用的是結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A,查表得E=200Gpa,1080MP取=0.3,根據(jù)許用應(yīng)力計(jì)算公式[σ]=,當(dāng)安全系數(shù)取2得:根據(jù)公式(1-6)得:又因?yàn)閼?yīng)變片的應(yīng)變比小于1500με,取ε0=1000με當(dāng)彈性體的應(yīng)變比ε1小于ε0才不至于損壞應(yīng)變片,由式(1-1)可得當(dāng)彈性體的截面積同時(shí)大于S1、S2時(shí)才能滿足整體的設(shè)計(jì)要求。=max[S1,S2]=當(dāng)傳感器過載50%時(shí),根據(jù)公式可求的所以知超載50%時(shí),彈性元件受到的應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。彈性元件的外徑D不能選擇太小,否則會(huì)由于力的偏心造成很大的誤差。在實(shí)際計(jì)算時(shí)先按照額定載荷F,根據(jù)材料的參數(shù)求得[]=540MPa,取D=10.0cm根據(jù)可得取d=6.0cm這樣空心管的壁厚為:t=3.空心圓柱柱高的確定對(duì)于圓柱筒式傳感器有5cm為了防止彈性元件受壓時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,柱高應(yīng)該選得小些,但又必須使應(yīng)變片能夠反映截面應(yīng)變的平均值,所以可取H=6.0cm檢驗(yàn)是否會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn),根據(jù)薄壁管的失穩(wěn)臨界應(yīng)力計(jì)算公式可得:遠(yuǎn)大于[]=540MPa,故在超過量程50%的載荷作用下,不會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)。2.2電阻應(yīng)變片2.2.1電阻應(yīng)變片類型的選擇電阻應(yīng)變片主要分為電阻絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。由于電阻絲式應(yīng)變片有橫向效應(yīng)對(duì)測量的精度有影響,使靈敏度降低,而且耐疲勞性能不高。金屬薄膜應(yīng)變片尚難控制電阻與溫度的變化關(guān)系,不常用。故選用金屬箔式應(yīng)變片,如圖3所示。
圖3各種金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn):1)本身性能穩(wěn)定,受溫度變化的影響小,在-30~+350度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作;2)散熱條件較好;3)在長時(shí)間測量時(shí)的蠕變較小,一致性較好;4)適用于各種彈性體材料及彈性結(jié)構(gòu)形式,粘貼操作簡便;5)價(jià)格便宜。2.2.2電阻應(yīng)變片的材料電阻應(yīng)變片由四個(gè)部分組成。第一是電阻絲(敏感柵),它是應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換元件。第二是基底和面膠(或覆蓋層)?;资菍椥泽w表面的應(yīng)變傳遞到電阻絲柵上的中間介質(zhì),并起到電阻絲與彈性體之間的絕緣作用,面膠起著保護(hù)電阻絲的作用。第三是粘合劑,它將電阻絲與基底粘貼在一起。第四是引出線,它作為聯(lián)結(jié)測量導(dǎo)線之用。1.材料的選用原則應(yīng)變片敏感柵合金材料的選擇對(duì)制作應(yīng)變計(jì)性能的好壞起著決定性的作用,因此對(duì)制作應(yīng)變片所用的應(yīng)變電阻合金有以下的要求:有較高的靈敏系數(shù);電阻率高;電阻溫度系數(shù)小,具有足夠的熱穩(wěn)定性;機(jī)械強(qiáng)度高,壓碾或拉伸性能好,高溫時(shí)耐氧化性能要好,耐腐蝕性能強(qiáng);與其它金屬接觸的熱電勢??;與引出線焊接容易。2.常用的應(yīng)變片材料目前國內(nèi)還沒有一種金屬材料能滿足上述全部要求,因此在選用時(shí),只能給予綜合考慮,常用的有康銅、鎳鉻、卡瑪合金、鎳鉻硅錳等合金。其各自性能分別如表2所示:表2常用的應(yīng)變片材料材料名稱化學(xué)成分%電阻率ρ/(Ω·mm2/m)電阻溫度系數(shù)α/(10-6/℃)靈敏度系數(shù)KS線膨脹系數(shù)β/(10-6/℃)最高使用溫度/℃康銅Cu55Ni450.45~0.52±202.015250(靜態(tài))400(動(dòng)態(tài))鎳鉻合金Ni80Cr201.0~1.1110~1302.1~2.314450(靜態(tài))800(動(dòng)態(tài))卡瑪合金6J22Ni74,Cr20Al3,Fe31.24~1.42±202.4~2.613.3450(靜態(tài))800(動(dòng)態(tài))伊文合金6J23Ni75,Cr20Al3,Cu21.24~1.42±202.4~2.613.3450(靜態(tài))800(動(dòng)態(tài))鐵鉻鋁合金Fe余量Cr26,Al5.41.3~1.5±30~402.614550(靜態(tài))1000(動(dòng)態(tài))鉑鎢合金Pt90.5~91.5W8.5~9.50.74~0.76139~1923.0~3.29800(靜態(tài))1000(動(dòng)態(tài))鉑Pt0.09~0.1139004.69800(靜態(tài))1000(動(dòng)態(tài))鉑銥合金Pt80,Ir200.35901.013800(靜態(tài))1000(動(dòng)態(tài))由表可知:電阻溫度系數(shù)較小而且穩(wěn)定,同時(shí)它的Ks對(duì)應(yīng)變值的穩(wěn)定性非常高,不但在變形的彈性范圍Ks保持為常數(shù),在進(jìn)入塑性范圍后,亦基本保持為常數(shù)。所以本課程設(shè)計(jì)采用是材料為康銅的應(yīng)變片。3.基底、引線材料和粘合劑基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置,蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置,還可保護(hù)敏感柵?;椎娜L稱為基底長,其寬度稱為基底寬?;撞牧嫌屑埢湍z基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜,厚度約0.03~0.05mm,本次設(shè)計(jì)采用膠基;引線材料是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線材料的性能要求:電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線;黏合劑材料用于將敏感柵固定于基底上,并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí),也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變片的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂,聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫,常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。本次設(shè)計(jì)采用有機(jī)粘結(jié)劑。2.2.3箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚度為0.002~0.005毫米的銅鎳合金或鎳鉻合金的金屬箔,采用刻圖、制版、光刻及腐蝕等工藝過程而制成?;资窃诓牧硪幻嫱可蠘渲z,經(jīng)過加溫聚合而成,基底的厚度一般為0.03~0.05mm?;趶椥泽w結(jié)構(gòu)和測量要求選用應(yīng)變片的參數(shù)如表3所示。表3應(yīng)變片參數(shù)型號(hào)敏感柵尺寸(寬×長)mm×mm材料阻值靈敏度K基底BH350-2AA3*5箔式350Ω2.0~2.2縮醛膠基2.2.4電阻應(yīng)變片根據(jù)應(yīng)變式傳感器工作原理,被測試件的變形是由粘貼在試件(或彈性元件)上的應(yīng)變片反映出來,所以應(yīng)變片粘貼在試件上是為了感受試件的變形,并轉(zhuǎn)換為電阻的變化,故粘貼質(zhì)量好壞對(duì)測量結(jié)果的影響極大。應(yīng)變片的粘貼工藝過程:1)制定布片方案;2)應(yīng)變片的選用和檢查;3)試件的表面處理;4)定位劃線;5)粘貼應(yīng)變片;6)干燥;7)粘貼質(zhì)量檢查;8)焊接引線;9)防潮保護(hù)處理。本設(shè)計(jì)將電阻應(yīng)變片粘貼到柱形彈性元件的表面上,如圖4所示。(a)應(yīng)變片的粘貼圖;(b)圓柱面展開圖圖4應(yīng)變片的粘貼3測量電路設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算電阻應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化ΔR/R,要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化,才能用電測儀表進(jìn)行測量,可以使用電橋電路。本設(shè)計(jì)選擇全橋電路,如圖5所示。圖5電橋電路3.1電橋電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算在實(shí)際測量中,作用力不可能正好通過柱體的中心軸線,所以這樣的柱體彈性元件除了受到拉(壓)外,還受到橫向力和彎矩。通過圖5所示應(yīng)變片的粘貼、連接方法可以減小這種影響。圖5中各應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為式中:為溫度引起的虛假應(yīng)變。根據(jù)橋式電路輸出為圖6圖6全橋的電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)中,應(yīng)變片的連接如右圖所示,對(duì)應(yīng)圖6所示的應(yīng)變片接法。所選用的是全橋形式的差動(dòng)電橋,且為提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償,每個(gè)橋臂都安置兩個(gè)應(yīng)變片。此外,由于在零壓力時(shí),傳感器大約有2mV的不平衡輸出,并且放大器有輸入失調(diào)電壓,因此,用組成的電橋電路進(jìn)行零位調(diào)整。通過改變電位器的值,可改變補(bǔ)償電壓的大小,以使得零壓力時(shí)U0=0V,為了保證足夠的調(diào)整精度,電位器為多圈電位器。3.2放大電路來自傳感器的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓(包括干擾電壓)。一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來抑制它,但是必須要求外接電阻完全平衡對(duì)稱,運(yùn)算放大器才具有理想特性。否則,放大器將有共模誤差輸出,其大小既與外接電阻對(duì)稱精度有關(guān),又與運(yùn)算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá)80dB,而采用由幾個(gè)集成運(yùn)算放大器組成的測量放大電路,共模抑制比可達(dá)100~120dB。結(jié)合以上幾點(diǎn),采用了低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成的三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。具體的電路如圖7所示。它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成,其中N1,N2為兩個(gè)性能一致(主要指輸入阻抗,共模抑制比和增益)的同向輸入通用集成運(yùn)算放大器,構(gòu)成平衡對(duì)稱(或稱同向并聯(lián)型)差動(dòng)放大輸入級(jí),N3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí),用來進(jìn)一步抑制N1、N2的共模信號(hào),并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。圖7三運(yùn)放高共模抑制比放大電路由輸入級(jí)電路可寫出流過Ro,R1,R2的電流為(3-1)由此求得,(3-2)于是,輸入級(jí)得輸出電壓,即運(yùn)算放大器N2與N1輸出之差為(3-3)
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