电桥在应变式传感器中的应用研究与分析255247

1毕业论文题目:电桥在应变式传感器中的应用研究与分析I摘要信息科学是众多领域中发展最快的一门学科，也是最具有发展活力的学科之一。信息科学中的四大环节（信息捕获、提取、传输、处理）时人们最关心、对社会发展和进步起着十分重要的作用的重要内容。信息捕获技术是信息科学最前端的一个阵地和手段，而信息捕获的主要工具就是传感器。传感器作为测控系统中对象信息的入口，在现代化事业中的重要性已被人们所认识。随着信息时代的到来，国内外已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。自电桥测量原理问世至今的一百六十余年以来，人们相继研制和应用了品种繁多、技术指标各异的测量电桥。可以说，电桥在电气与电子测量技术领域里担负着准确地测量电阻、电容、电感、互感等电路参数和其它与此相关的待测量的重要作用。本文通过对几种电桥的理论与实验验分析，论证了全桥电桥的优越性与准确性，并通过称重传感器的具体事例来论述电桥在传感器电路中的应用。关键词：传感器、惠斯通电桥、非线性分析、灵敏度分析、称重传感器IITitleBridgeapplicationresearchandanalysisonthestrainsensorAbstractInformationscienceisoneofthefastestgrowinginmanyfieldssubjects,alsoisoneofthemostdynamicsubjectsinthemost.Fourlinksofinformationscience(informationcapture,extraction,transmission,processing)whenpeoplemostconcernedabout,tothesocialdevelopmentandprogressisanimportantcontentofplaysaveryimportantrole.Informationcapturetechnologyisoneofthemostfrontendpositionandinformationscience,andthemaintoolsofinformationcaptureissensor.Sensorasthemeasurementandcontrolsystemintheentryoftheobjectinformation,theimportanceinthemodernizationdrivehasbeenknown.Withthecomingofinformationage,bothathomeandabroadhavegivenprioritytothedevelopmentofsensortechnologyasoneoftheareasofscienceandtechnology.Sincebridgeprinciplecomeoutofmorethanonehundredandsixtyyearsago,peoplehavedevelopedandappliedavariety,varioustechnicalindicatorsmeasuringbridge.Bridge,asitwere,inthefieldofelectricalandelectronicmeasurementtechnologyfortheaccuratelymeasuringtheresistance,capacitanceandinductance,mutualinductancecircuitparameterandotherrelatedtotheimportantroleofmeasurement.Thisarticlethroughtheanalysisofthetheoreticalandexperimentaltestofseveralbridge,expoundsthesuperiorityandtheaccuracyofthewholebridgebridge,andbridgeisdiscussedthroughspecificexamplesoftheweighingsensorintheapplicationofthesensorcircuit.Keywords：sensor、wheatstonebridge、nonlinearanalysis、sensitivityanalysis、weighingsensorIIIIV目次（4号黑体，居中）1引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同）…………12××××××（正文第2章）……………………………………………………Y2.1××××××（正文第2章第1条）…………………………………………Y2.2××××××（正文第2章第2条）…………………………………………Y2.X××××××（正文第2章第X条）…………………………………………Y3×××××（正文第3章）………………………………………………Y………………………………………（略）X×××××（正文第X章）………………………………………………………Y结论……………………………………………………………………………………Y致谢……………………………………………………………………………………Y参考文献………………………………………………………………………………Y附录A××××（必要时）…………………………………………………………Y附录B××××（必要时）…………………………………………………………Y图1×××××（必要时）…………………………………………………………Y图2×××××（必要时）…………………………………………………………Y表1×××××（必要时）…………………………………………………………Y表2×××××（必要时）…………………………………………………………Y注：1.目次中的内容一般列出“章”、“条”二级标题即可；2．Y表示具体的阿拉伯数字；3.目录前的页码采用罗马数字。列如：I、II……。11引言传感器技术是在20世纪的中期才刚刚问世的。在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都还比较落后，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展，传感器技术已在国际市场中逐步占有了重要的份额。随着传感器技术的日益发展，电桥作为信号转换的重要桥梁，也越来越多的在传感器中得到应用与发展，而且显示出越来越重要的作用。1．1传感器1.1.1传感器的定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输的测量的电信号部分。1.1.2传感器的分类传感器的种类繁多，不胜枚举。传感器的分类方法很多，主要有以下几种。按输入量分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等；按工作原理分为应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等；按输出信号分为模拟式传感器和数字式传感器。1.1.3传感器的地位与发展人类社会已进入信息时代，人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。传感器处于研究对象与测试系统的接口地位，即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，狗咬通过传感器获取并通过它转换为容易输入与处理的电信号，所以传感器的作用与地位特别重要。2传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。所以，如何采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论达到高质量的转换是总的发展途径。1.1.4应变式电阻传感器在几何量和机械量测量中，最常用的传感器是某些金属和半导体制成的应变片式传感器。应变片式电阻传感器是以应变片为传感元件的传感器。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。设有一根电阻丝，它在未受力里的原始电阻值为R=Sl式中——电阻丝的电阻率l——电阻丝的长度S——电阻丝的截面积电阻丝在外力F作用下，将引起电阻变化▽R，且有RlS=+RlS令电阻丝的轴向应变为ll，径向应变为rr,由材料力学可知rr()ll，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得(12)RR通常把单位应变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0RRK(12)从上式可以明显看出，电阻丝灵敏系数0K由两部分组成：（1+2）表示受力后由材料的几何尺寸变化引起的；表示由材料电阻率变化引起的。对于金属材料，3项的值要小得多，可以忽略，故012。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即0K=1.7~3.6，0RKR应变式电阻传感器具有以下优点：（1）精度高，测量范围广（2）使用寿命长，性能稳定可靠（3）结构简单，尺寸较小，重量轻，因此在测试时，对工件工作状态及应力分析影响小。同时也存在一些缺点，如在大应变状态下具有较大非线性，输出信号微弱，不适用于高温环境等。1.2电桥1.2.1电桥的定义及分类一般地，被测量是非常微弱的，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电路就是各种电桥电路，主要有直流和交流电桥电路。电桥又分为单臂电桥、半桥和全桥，其灵敏度依次提高。根据使用电源的不同，分为直流和交流电桥。1.2.2几种电桥电路的理论分析4（1）单臂电桥只接入一个应变电阻片，其余为固定电阻。设电桥的桥臂比为nRRRR2314，根据电桥的工作原理，并忽略一些极小的无影响的量，可以得到输出电压的表达式为11)1(2RRnnUV，同时得到单臂电桥灵敏度表达式2)1(/nnURRVkv=4U单臂电桥的实际输出电压与电阻变化的关系是非线性的，存在非线性误差，故不常使用。（2）半桥如图，接入两个应变片，一片受拉力一片受压力，两者应变符号相反，设初始状态为R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR，可以得到电压表达式URRV21，半桥灵敏度表达式Ukv21，可见输出电压与电阻的变化严格呈线性关系，不存在线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。（3）全桥全部电阻都使用应变电阻，且相邻的两个臂的受力方向相反，电桥平衡时，R1=R2=R3=R4=R根据电桥性质可以得到电压及灵敏度的表达式URRV，VVKURR，可见差动电桥的灵敏度比单臂电桥提高了4倍，故广泛被使用。在电桥电路中，将与工作电阻同侧的固定电阻更换成相同受力方向的补偿片，且原始电阻值相等；这样在实际使用中，由于温度造成的电阻值变化被抵消，且补偿片不受力，故可以消除电压的漂移输出。2应变式传感器电桥电路的理论分析众所周知，将粘贴在弹性元件应变区上的电阻应变片，按相对臂应变方向相同、相邻臂应变方向相反的原则，组成惠斯通电桥电路，即称重传感器的初始电路。这一传感器虽然可以使用，但由于内在的各种影响因素和外部环境条件的影响，其输出特性将会较大地偏离理想的输出特性，主要性能指标均较差，达不到高准确度称重传感器的技术要求。为了提高称重传感器的综合性能指标和互换性，就必须采5用各种电路补偿和性能调整技术，对其进行逐个逐项的电路补偿与调整。主要补偿与调整项目有:零点温度补偿、零点输出补偿、线性补偿、灵敏度温度补偿、灵敏度标准化调整、输出电阻标准化调整和输入电阻标准化调整等。理论分析和实践经验表明，称重传感器的电路补偿与调整，应严格按照上述顺