电阻应变片的压力传感器设计

《电阻应变片的压力传感器设计》题目电阻应变片的压力传感器设计时间201608班级2014级姓名序号指导教师教研室主任系教学主任2016年08月前言随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。本次课程设计的是一个大量程称重传感器，测量范围为1t到100t。本次课程设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。目录1、课程设计目的和要求-----------------------------------------------------12、课程设计任务-----------------------------------------------------------23、方案的选择-------------------------------------------------------------33.1方案的制定------------------------------------------------------------33.2方案的确定-----------------------------------------------------------44、材料的选择-------------------------------------------------------------64.1弹性元件-------------------------------------------------------------64.1.1弹性元件材料-----------------------------------------------------64.1.2弹性元件材料------------------------------------------------------74.2应变片的选择---------------------------------------------------------84.2.1电阻应变片类型的选择----------------------------------------------94.2.2应变计的材料------------------------------------------------------94.3应变计主要参数的确定-------------------------------------------------105、外壳尺寸确定-----------------------------------------------------------116、测量电路的设计与计算---------------------------------------------------126.1电桥电路的设计与计算-------------------------------------------------126.2交流电压输出电路-----------------------------------------------------136.3放大电路-------------------------------------------------------------136.4滤波电路-------------------------------------------------------------166.6数字显示电路---------------------------------------------------------167、误差来源与精度分析-----------------------------------------------------188、相关元器件的确定-------------------------------------------------------19参考资料---------------------------------------------------------------20心得体会---------------------------------------------------------------21附录一常用芯片引脚图--------------------------------------------------22附录二传感器电路处理总图----------------------------------------------25附录三传感器外观设计图------------------------------------------------------------------------261、课程设计目的和要求1．传感器原理课程设计是测控技术与仪器专业的必须完成的一个课程设计。是一个重要的教学环节，通过本设计，培养学生理论联系实际的设计思想，训练综合运用传感器设计和有关先修课程的理论，结合实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固加深有关传感器设计方面的知识。2．通过制定设计方案，合理选择传感器结构和相关元件类型，正确计算、选择各零件和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握传感器设计过程和方法。3.进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。4.通过设计环节的实际训练，加深学生对该课程基础知识和基本理论的理解和掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，使之在理论分析、设计、计算、制图、运用标准和规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学态度。2、课程设计任务题目:基于电阻应变片的压力传感器设计初始条件：采用电阻应变片设计测量力、压力、加速度、位移等物理量的传感器，设计时自行确定被测变量及测试范围，并根据测量的需要选择应变片的型号、数量、粘贴方式以及弹性元件的结构形式、相关测试电路等。要求：1．正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥；2.选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并根据测试极限范围进行校核；3.完成传感器的外观与装配设计；4.完成应变电桥输出信号的后续电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；5.按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000字左右）；6.按机械制图标准绘制机械装配图（3号图纸）、弹性元件图（4号图纸）各一张。3、方案的选择此次传感器课程设计选用应变式拉压传感器。设计中只要把应半片贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小，而弹性元件的应变大小可以通过应变片电阻大小的变化量来求得。故可以通过选择不同的弹性元件和测量电路来提出不同的方案。3.1方案的制定根据弹性体的结构形式的不同可分为：轮辐式，梁式，环式，柱式等。在测量拉/压力上主要用到的是柱式传感器。柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种，如图2.1.1所示。（a是实心，b是空心）图3.1柱式传感器的弹性元件应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。常用的有两臂差动电桥和全桥电路，如图2.1.2所示。图3.2直流电桥电路3.2方案的确定实心圆柱可以承受较大的负荷，在弹性范围内，则应力与应变成正比关系。ε=SEFEll(3-1)式中：F——作用在弹性元件上的集中力；S——圆柱的横截面积。圆柱的直径根据材料的允许应力来计算。图3.1实心圆柱与空心圆柱由于F/S≤[σ](3-2)而S=πd2/4(3-3)式中d为实心圆柱直径。则直径d][4F(3-4)空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。同理4d22）（DS(3-5)式中：D——空心圆柱外径；d——空心圆柱内径。根据式（3-2）和式（3-5）可知][)(422FdD(3-6)所以D2][4dF(3-7)弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响。由材料力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响。当高度与直径的比值H/D〉〉1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。试验研究的结果建议采用H2D+L(3-8)式中L为应变片的基长。对于空心的圆柱为H≥D-d+L(3-9)此外，因此，经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。电路转换部分一般电桥的输出电压为))((43213241ioRRRRRRRRUU(3-10)如图3.2，两臂差动电桥电路的电压输出为))(()(432211322411ioRRRRRRRRRRRRUU）（…（3-11)设初始时RRRRR4321,工作时一片受拉一片受压，即RRR21,则式（3-11）可以简化为22iioURRUU（3-12）差动电桥电压灵敏度为2iUU（3-13）同理若采用四臂电桥，如图3.2所示并设初始时RRRRR4321，工作时RRRRR2341时，输出为iioUURRU（3-14）四臂电桥的电压灵敏度为iUU（3-15）通过比较其电压灵敏度知四臂电桥（全桥）电路的灵敏度高，故选用四臂电桥电路。4、材料的选择4.1弹性元件弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件。4.1.1弹性元件材料在设计传感器以前，首先应选择好弹性元件材料。对弹性元件材料提出以下要求：(1)强度高，弹性极限高；(2)具有高的冲击韧性和疲劳极限；(3)弹性模量温度系数小而稳定；(4)热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性；(5)热膨胀系数小；(6)具有良好的机械加工和热处理性能；(7)具有高的抗氧化、抗腐蚀性能；(8)弹性滞后应尽量小。常用材料：结构钢CrNiMo,30CrMnS