传感器课程设计.doc

《传感器课程设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器课程设计.doc（39页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、课 程 设 计 课程名称 传感器设计与实践 题目名称 应变式荷重传感器及电路转换设计 学生学院 信息工程学院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 20010年6月28日广东工业大学课程设计任务书“传感器设计与实践”之二题目名称应变式荷重传感器及转换电路设计学生学院信息工程学院专业班级姓 名学 号一、课程设计的内容通过设计型实验，掌握传感器设计的一般过程与步骤。具体内容包括：了解荷重测量的一般方法；制定利用应变式传感器测量荷重的方案；利用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析与计算；利用CAD软件进行荷重传感器的结构设计与零件设计；设计传感器转换电路，并进行电路调试或仿真。二、课程设计的要求与

2、数据1、本实践环节，采用以教学辅导、学生自主设计、自主实验的教学形式。2、传感器技术参数：测力范围：11031105 N； 称量精度：1 %3、要求设计说明书字数不少于5000字。三、课程设计应完成的工作1、了解荷重测量的一般方法，制定利用应变式传感器测量重物的方案； 2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸； 3、应变式荷重传感器结构设计；绘制传感器装配图和部分零件图；4、传感器转换电路的设计和仿真调试； 5、编制设计说明书。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容答疑地点起止日期1布置设计任务。学生查找相关资料教3-1126月21日2选定传感器型式和结构方案；进行相关理论分析与计算；

3、确定传感器主要结构尺寸工学1#-1076月2123日3传感器主要结构设计，装配图、零件图的设计工学1#-1076月2526日4根据所设计的传感器结构，设计转换电路宿舍6月27日5传感器测量转换电路仿真调试宿舍6月28日6传感器制作工艺研究工学1#-1076月29日7撰写设计说明书宿舍6月30日8分组答辩工学1#-1077月1日五、应收集的资料及主要参考文献1、李科杰新编传感器技术手册（M）国防工业出版社，2002年2、强锡富传感器（第3版）（M）机械工业出版社，2001年3、丁镇生传感器及传感技术应用（M）电子工业出版社，1999年4、黄继昌传感器工作原理及应用实例（M）人民邮电出版社，199

4、8年5、陈尔绍传感器实用装置制作集锦（M）人民邮电出版社，2000年6、黄贤武传感器实际应用电路设计（M）电子科技大学出版社，1997年发出任务书日期：2010年6月21日 指导教师签名： （骆德汉、黎勉）（陈益民、查晓春）计划完成日期： 2009年7 月2日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：目录1.压力测量的一般方法的比较与选定31.1压阻式传感器41.2压电式传感器51.3电容式传感器61.4应变式传感器71.5电感式压力传感器92.方案制定112.1轮辐式传感器112.2梁式传感器122.3环式传感器132.4柱式传感器143.弹性元件173.1弹性元件的材料173.1.1弹性元件

5、的要求173.2弹性元件的选择183.2.1常见的弹性元件183.2.2硬化不锈钢材料介绍18_Toc2050281663.3弹性元件的分析和计算193.3.1弹性元件的参数计算193.3.2截面积的计算203.3.3柱高h及其他尺寸的确定214.电阻应变片的选择224.1电阻应变片类型的选择224.2应变计的材料224.2.1应变计敏感栅的材料224.3应变计主要参数的确定244.3.1几何尺寸244.3.2金属箔式应变片254.3.3基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数：255.外壳尺寸确定266测量电路原理分析及设计276.1电阻应变式传感器测量电路的各组成电路：276.1.1电桥电

6、路：276.1.2调零电路：276.1.3手动调幅可调电路:286.2用Multisim实现的转换电路图：296.3参数选定：296.4关键点理论值与模拟值的计算306.5用MATLAB实现的FV曲线对比317.总结与致谢338.主要参考文献349.附录341.压力测量的一般方法的比较与选定压力传感器应用广泛、影响面宽，不只可以测量力和压力，也可用于测量负荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它们都与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，其特点是成本低、不需要电源，但体积大、笨重、输出为非电量。普遍应用的有压阻式、压电式、电容

7、式、电阻式、电感式等等。近几年又发展了微波传感器、超声波传感器、生物传感器、视觉传感器、光纤式传感器等传感器。以下分别介绍一般常用的传感器。放大输出型标定级饼型微型超小型罐筒型同轴嵌入型圆环柱型条型Z型S型汽车工业用表1.1荷重传感器主要类型1.1压阻式传感器 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。其中半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。压阻式传感器便是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。 利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基

8、片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。图1.1为两种微型压阻式传感器的膜片图1.1 两种微型压阻式传感器的膜片图1.2 压阻式传感器实物图1.2压电式传感器压电式传感器以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。按转换方式可以分为正压电效应和逆压电效应。当某些物质在外力作用下变形时，某些相应表面上就会产生异种电荷，去掉外力后又回到不带电状态。这种没有外电场只是形变产生的极化现象称正压电效应。在这些物质

9、上施加电场时不仅产生极化同时还产生了应力或应变，去掉电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能变成机械能的现象称逆压电效应。压电式传感器的工作原理是以物质的压电效应为基础，它是一种发电式传感器。 由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要功能，加上它的体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，固有频率高，灵敏度和信噪比高、动态特性好、耐高温等优点，因此，30多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，许多压电材料的工作温度只有250度左右。按弹性敏感元件和受力机构的形式，压电式传感器可分为膜片式和活塞式两类。图1.2为膜片式压电传感器 图1

10、.3膜片式压电传感器 图1.4压电传感器实物图1.3电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。 电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。随着电子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器。因此它广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中。 电容式传感器的基本原理可以用平板电容器说明。当忽略边缘效应时，其电容C为： C= 式中，S和 ，中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映

11、压力、加速度等的变化；的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。实际应用时，常常仅改变、S和之中的一个参数来使C发生变化。所以电容式传感器可分为三种基本类型：变极距(变间隙)()型（如图1.5所示），变介电常数()型（如图1.6所示）和变面积型（S）型（如图1.7所示）。(a)角位移式 (b)直线位移式图1.7 变面积型电容式传感器图1.8 电容式传感器实物图1.4应变式传感器应变式传感器也称应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应,将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。现已广泛应用于工程测量和科学实验中。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻

12、的电阻应变效应。设有一根长度为L的，截面积为S，电阻率为的金属丝，在未受力时，原始电阻为：R=当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长L，横截面积相应减小S，电阻值R的变化引起电阻的相对变化为：由材料力学知：其中： -沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关； E-弹性模量； -材料所受应力。忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下： =可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。应变式传感器类型有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。 特点： 可测微应变1-2m，且精度高、性能稳定； 尺寸小、重量轻、结构简单，响应快； 测量范围大； 环境要求不高

13、； 便于多点测量。 图1.10 电阻应变片组成图 图1.11 应变式传感器实物图1.5电感式压力传感器在电感式压力传感器中，大都采用变隙式电感作为检测元件，它和弹性元件组合在一起构电感式压力传感器。检测元件由线圈、铁芯、衔铁组成，衔铁安装在弹性元件上。在衔铁和铁芯之间存在着气隙，它的大小随着外力F的变化而变化。其线圈的电感L可按下式计算，即L=N2Rm 式中N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻(1H)，表示物质对磁通量所呈现的阻力。磁通量的大小不但和磁势有关，而且也和磁阻的大小有关；当磁势一定时，磁路上的磁阻越大，则磁通量越小。磁路上气隙的磁阻比导体的磁阻大得多。假设气隙是均匀的，且导磁截面与铁芯的

14、截面相同，在不考虑磁路中的铁损时，磁阻可表示为：Rm=式中l为磁路长度(m)；为导磁体的导磁率(Hm)；A为导磁体的截面积(m2)；为气隙|量(m)；0为空气的导磁率(410-7Hm)。 由于02D+L (3-7)式中L为应变片的基长。对于空心的圆柱为 HD-d+L (3-8)因此，经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。3.5.2截面积的计算根据上表可以比较, 本次的传感器采用不锈钢ICr18Ni9, 查表得s=1200MPa，E=200GPa。根据许用应力计算公式 = ，当安全系数取2得：根据公式 (3-5) 得：又因为应变片的应变比为800-2000,取0=1000当弹性体的应变比1小于c才不

15、至于损坏应变片 ，得到以下关系式：1=0当弹性体的截面积同时大于S1 ，S2 时才能满足整体的设计要求。=maxS1 ，S2= 为了使传感器过载50%时不至于损坏可是当增大其面积：弹性元件的外径D不能选择太小，否则会由于力的偏心造成很大的误差。在实际计算时先按照额定载荷F，根据材料的参数求得=600MPa，取D=3.0cm并由式(3-6)得：取d2.8cm这样空心管的壁厚为：t3.5.3柱高h及其他尺寸的确定为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高H应当选得小些，但又必须使应变片能够反映截面应变的平均值，这里选用弹性元件工作段的长度为：取H7cm由于壁很薄，还必须检验是否会出现局部失稳。薄壁管

16、的失稳临界应力公式为： 在超过满量程150%的情况下，弹性元件截面中的应力为：因此，受力超过满量程的150%时的应力还远远小于材料的比例极限和临界应力这表明该元件不会出现弹性失稳。此外，在两端需有螺纹孔，以便连接螺栓，选用螺孔为M6，它的许用载荷大于10000N。4.电阻应变片的选择4.1电阻应变片类型的选择 电阻应变计简称应变计（亦称为电阻应变片或简称应变片）。它由四个部分组成。第一是电阻丝（敏感栅），它是应变计的转换元件。第二是基底和面胶（或覆盖层）。基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。第三是粘合剂，它将电

17、阻丝与基底粘贴在一起。第四是引出线，它作为联结测量导线之用。电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。由于电阻丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。故选用金属箔式应变片。箔式应变片的主要优点： (1)本身性能稳定，受温度变化的影响小； (2)使用温度范围比较宽，在-269+350 度范围内稳定工作； (3)适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便；(4)价格便宜。(a)单轴的 (b)测扭矩的 (c)多轴的(应变花) 图4.1各种金属箔式应变片4.2应变计的材料4.2.1应变计

18、敏感栅的材料(1)材料的选用原则 应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求：a有较高的灵敏系数；b电阻率高；c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强；e与其它金属接触的热电势小；f与引出线焊接容易。(2)常用的应变计材料 目前国内还没有一种金属材料能满足上述全部要求，因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的有康铜、镍铬、卡玛合金、镍铬硅锰等合金。其各自性能分别如下： a康铜: 电阻温度系数较小而且稳定，同时它的Ko值对应变值的稳定性非常高，不但在变形的弹性范围K

19、o保持为常熟，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。所以用康铜作为敏感栅的音变机，测量范围大，可用于大应变测量（达22）。 对康铜用不同的方法进行加工、不同的热处理、或者改变合金成份的比例，可以改变它的电阻温度系数（由负值到正值有较大的范围），利用这种特性可以制造温度自补偿应变计。在静态应变测量时，康铜的工作温度达300C，在动态测量时，可用到400C。它可以在高的流体径压力下和核辐射的环境下工作。 b镍铬合金: 具有较高的电阻率，适于制造小标距的应变计。但电阻温度系数较大，主要用于动态应变测量，使用温度可达800C。在镍铬合金中加入少量的其它金属或元素，可以改善合金的性能。例如掺入少量的铁、铝

20、可制成卡玛合金（6J22），掺入少量的铜、铝可制成6J23，使电阻率提高和降低电阻温度系数，是指成为更好的适于静态测量的材料。c铁铬铝合金:其电阻率较高，灵敏系数较大，而电阻温度系数比镍铬合金小得多，比铜镍合金大。d铁镍铬合金:灵敏系数较高，可达3.6。但由于它的电阻温度系数大（比康铜大6倍以上），同时Ko值在弹性范围和塑性范围时不一样（分别为3.6和2.5），使其应用范围受到限制，它值适用于动态测量。结论：综上所述，本课程设计采用的材料是康铜。4.3应变计主要参数的确定4.3.1几何尺寸几何尺寸在能够使得弹性元件的应变得到充分响应，即可选用。根据经验安全系数ns=2。因为所选的为塑性材料，则

21、许用应力 根据=E得：因为根据，且=2，=0.756，=120，所以有所以因为 ；所以应取 进行计算。传感器受压轴的截面面积为：因为受力面积较小，故受压轴使用圆筒(空心柱式)式结构。传感器的灵敏系数的确定（检验应变片的灵敏度是否符合要求） 根据公式：其中：为材料的泊松比；F为传感器的额定负荷；K为应变片的灵敏系数；E为材料的弹性模量；A1为弹性元件贴片部位的截面积。有得此传感器的灵敏系数为： 因为SSg 所以应变片的灵敏度符合要求。4.3.2金属箔式应变片 箔式应变计的敏感栅是用厚度为0.0020.005毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成。基底是在箔的

22、另一面涂上树脂胶，经过加温聚合而成，基底的厚度一般为0.030.05mm。 图4.2应变计的结构 图4.3 敏感栅的尺寸4.3.3基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数：型号敏感栅尺寸（宽长）mmmm材料阻值灵敏度K基底PB-53*5箔式1202.02.2缩醛胶基表4.1 PB-5应变片参数5.外壳尺寸确定综合上述分析计算，次课程设计选用sf-6柱式荷重传感器图5.1 sf-6柱式荷重传感器实物图量程1234H1H2SR4M0.1t2648543270542650.7t2648543270542651t3064644090703565t30646440907035610t4584885213

23、010555820t4584885213010555825t5510410870150120601030t55104108701501206010表5.1 sf-6柱式荷重传感器外形尺寸6测量电路原理分析及设计6.1电桥电路设计6.1.1电桥电路原理应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化R/R,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变化范围也很小，直接测量出这一微小变化比较困难，所以一般利用桥式测量电路来精确测量出这些小的电阻变化。 电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为

24、常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压V0为零的条件是：R1R3=R2R4。图2当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即R1R3R2R4时，电桥输出：恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。单臂电桥时，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4为定值电阻，在应变片R1工作时，其电阻R1变化R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/4电压输出为:UO=(U/4)(R1/R1)6.1.2非线性误差电桥电路的非线性误差为：L=R1/2R上面各式表

25、明，当电源电压U及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻的大小无关。直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，测量中常用直流电桥。为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：采用差动电桥；采用恒流源电桥。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为：UO=UR/R所以，本设计所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV的不平衡输出，并且放大器有输入失调电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调

26、整。通过改变电位器的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U0=0V，为了保证足够的调整精度，电位器为多圈电位器。6.2转换电路和信号放大电路来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100120dB。结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。具体的电路

27、如图所示本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路，三就是增益放大电路，这里面还包括共模抑制电路。6.2.1电桥转换电路电阻应变片的电阻R1,R2,R3,R4的电阻都为350欧。由这四个电阻组成一个全桥放大电路。6.2.2放大电路和共模补偿电路它由三个集成运算放大器组成，其中N1，N2为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1，N2的共模信号，并适应接地负载的需要。由输入级电路可写出流过R6，R7和R14都电流IR为IR=(U02-Ui2

28、)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14由此求得 U01 =（1R6/ R14）Ui1R6 Ui2/ R14 U02 =（1R7/ R14）Ui2R7Ui1/ R14于是，输入级的输入电压，即运算放大器N2与N1输出之差为U02U01 =1（R6R7）/ R14（Ui2-Ui1）其差模增益Kd为 Kd（U02U01）/（Ui2-Ui1）1（R6R7）/ R14由上式可知，当N1,N2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而与共模输出，失调及漂移均在R14两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。但为了消除N1，N2片偏置电

29、流等的影响，通常取R6=R7.另外，这种电路还具有增益调节能力，调节R14可以改变增益而不影响电路的对称性。根据共模抑制比定义，可求得输入级的共模抑制比为CMRR12=CMRR1CMRR2/CMRR1-CMRR2式中的CMRR1、CMRR2分别为N1、N2的共模抑制比。当R10=R11、R12=R13时，运算放大器N3的差模增益为Kd3R12/R10整个电路的共模抑制比为CMRR=(KdCMRR3 CMRR12)/( KdCMRR3+ CMRR12)式中CMRR3运算放大器N3的共模抑制比为了获得高的共模抑制比，必须选取集成运算放大器N3具有高的共模抑制比，同时精选外接电阻，尽量使R10=R1

30、1、R12=R13精度应控制在0.1内。而且通常将输入级的增益Kd设计得大些，输出级的增益Kd3设计得小些。这种电路由于N1,N2的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比CMRR120dB，共模输入电压范围为610V，总增益110000（Rp为几十至几百欧姆）。如果在N3的两输入端之间接入共模补偿电路，则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比。改变R15阻值可将共模增益调整到最佳点。它的原理是由运放U1，U2组成第一级差分式电路，U3组成第二级差分式电路。在第一级电路中，V1，V2分别加到U1和U2的同相端，R6,R7和R14组成的反馈网络，引入了深度的电压串联负反馈，两运放U1，U