電阻應變式壓力傳感器的設計.doc

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傳感器與檢測技術 電阻應變式壓力傳感器的設計 學院：信息技術學院 指導老師：蔡杰 班級：B1106 姓名：張佳林 學號：0915110629 目錄 一、設計任務分析 2 二、方案設計 2 2.1原理簡述 2 2.2應變片檢測原理 3 2.3彈性元件的選擇及設計 4 2.4應變片的選擇及設計 5 三、單元電路的設計 6 3.1電橋電路的設計 6 3.2放大電路的設計 6 3.3移相器的設計 7 3.4過零比較器的設計 8 3.5相敏檢波電路的設計 9 3.6低通濾波器的設計 9 四、誤差分析 10 五、心得體會 10 六、致謝 11 電阻應變式壓力傳感器的設計 1. ； 二、方案設計 原理框圖如圖一所示。數(shù)顯表頭 過零比較器 相敏檢波 移相器 放大器 5KHZ交流 交流電橋 電阻應變片 （質(zhì)量）壓力 低通濾波 2.2應變片檢測原理 電阻應變片（金屬絲、箔式或半導體應變片）粘貼在測量壓力的彈性元件表面上，當被測壓力變化時，彈性元件內(nèi)部應力變形，這個變形應力使應變片的電阻產(chǎn)生變形，根據(jù)所測電阻變化的大小來測量未知壓力，也實現(xiàn)本次設計未知質(zhì)量的檢測。 設一根電阻絲，電阻率為，長度為,截面積為S，在未受力時的電阻值為 R= ----- ① 圖一 金屬絲伸長后幾何尺寸變化 如圖一所示，電阻絲在拉力F作用下，長度增加，截面S減少，電阻率也相應變化，將引起電阻變化△R，其值為 =—＋ ----② 對于半徑r為的電阻絲，截面面積S=，則有=。令電阻絲的軸向應變?yōu)?，徑向應變?yōu)椋?，由材料力學可知，為電阻絲材料的泊松系數(shù)，經(jīng)整理可得 =（1+2 ----③ 通常把單位應電所引起的電阻相對變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，其表達式為 = ----④ 從④可以明顯看出，電阻絲靈敏系數(shù)由兩部分組成：受力后由材料的幾何尺 受力引起；由材料電阻率變化引起的。對于金屬絲材料，項的值比小很多，可以忽略，故。大量實驗證明 在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對變化與應變成正比，即為常數(shù)。 通常金屬絲的=1.7～3.6。④可寫成 = ----⑤ 2.3彈性元件的選擇及設計 本次設計對質(zhì)量的檢測是通過對壓力的檢測實現(xiàn)的，所以彈性元件承受物重也即壓力，這就要求彈性元件具有較好的韌性、強度及抗疲勞性，通過查設計手冊，決定選取合金結構鋼30CrMnSiNi2A，其抗拉應力是1700Mpa，屈服強度是1000Mpa，彈性模量是211Gpa。 同時本次設計選取彈性元件的形式為等截面梁，其示意圖如圖二所示 圖二 等截面梁 作用力F與某一位置處的應變關系可按下式計算： 式中： ——距自由端為處的應變值； ——梁的長度； E——梁的材料彈性模量； b——梁的寬度； h——梁的厚度。 通過設計，選取=20mm, =14mm,b=10mm,h=3mm 現(xiàn)校核如下： 因此，選取是合理的。 2.4應變片的選擇及設計 從理論學習中知道，箔式應變片具有敏感柵薄而寬，粘貼性能好，傳遞應變性能好；散熱性好，敏感柵彎頭橫向效應可以忽略；蠕變，機械滯后小，疲勞壽命長等優(yōu)點，所以非常適合本次設計的應用。選擇4片箔式應變片（BX120-02AA）阻值為120Ω，其基底尺寸是（）。同時敏感珊的材料選擇鉑 因為其靈敏系數(shù)達， 且其最高工作溫度可以達800多攝氏度，柵長做到0.5mm。 應變片粘貼在距自由端處，R1和R4粘貼在梁的上方承受正應變，R2和R3則與之對應粘貼在下方承受負應變。粘貼劑選擇環(huán)氧樹脂粘貼劑。 基底材料選擇膠基，厚度為0.03mm-0.05mm。 引線材料采用直徑為0.15-0.18mm的鉻鎳金屬絲引線。 最后在安裝后的應變片和引線上涂上中性凡士林油做防護作用，以保證應變片工作性能穩(wěn)定可靠。 這樣最大應變?yōu)椋? 因此是符合的。且交流電橋的最大輸出輸入比為： 三、單元電路的設計 3.1電橋電路的設計 為了實現(xiàn)對應變片的溫度補償，因此選擇全橋電路作為測量電路，將4片應變片接入電橋。橋路圖如圖三所示。其次，考慮到連線導線分布電容的影響及交流電橋的初始平衡性問題（無稱重時電橋輸出應為零），應在橋路中采取調(diào)零電路。橋路接法如圖三所示，R5和C2即是實現(xiàn)調(diào)零用的，取C2=1uF，R5=1.8kΩ。電橋輸出為 交流電源頻率選擇為5KHZ,現(xiàn)使橋路最大輸出為10mV，則電壓幅值為： 圖三 交流電橋 3.2放大電路的設計 由于傳感器輸出的電壓比較小，因此需對其進行放大使之滿足后續(xù)電路的處理要求。 鑒于傳感器輸出可能雜有共模電壓，為此，選取具有高共模抑制比的AD620作為放大器來達到凈化信號電壓和充分節(jié)約成本和制造的空間的目的。 電路圖如圖四所示。 圖四 放大電路 其放大增益為： 為了將10mV的電壓放大到10V，需要放大1000倍，為此選擇分配級為 這里放大50倍，因此解得R4=1.008kΩ。 3.3移相器的設計 因為電橋電路輸出的電壓對載波信號有一定的超前角，一般為幾度到幾十度，因此在把載波信號作為相敏檢波的參考電壓前需對其進行一定的移相處理 圖五為0-90的移相電路。 圖五 移相電路 若設R12調(diào)節(jié)后的有效電阻為R，則移相的推導為： 因為的數(shù)量級為，所以可以取C3=100uF,這樣R（R12）可以設定在500Ω范圍，即實現(xiàn)相角在0-90移動。上式中， 。 所以移相電路不改變幅值。 3.4過零比較器的設計 在進行相敏檢波時，我們更希望參考電壓整形為方波，這樣便于比較，因此設置一個過零比較器LM339實現(xiàn)這一功能。電路圖如圖六所示。 圖六 過零比較器 3.5相敏檢波電路的設計 由于采用的交流電壓不能實現(xiàn)對壓力方向的判別，所以要利用相敏檢波的鑒相特性達到這一目的。 電路圖如圖七所示。 圖七 相敏檢波電路 從圖示知道，用JFET 做開關器件，當＞0時，其導通，U4A正極為0電位，信號從負極輸入，放大倍數(shù)為，此時＞0；當＜0時，JFET截止，信號從正極輸入，放大倍數(shù)為1，此時＜0。因此，相敏檢波實現(xiàn)了信號的判別，只是與原信號相差一個負號。 3.6低通濾波器的設計 由于經(jīng)過相敏檢波后的電壓還混有高頻載波信號，所以需將其濾掉，又因為相敏檢波后輸出的電壓與原信號差一個負號，所以選擇反相一階有源低通濾波器，這樣就可以得到真正反映原信號的直流輸出。 低通濾波器截止頻率設為40HZ。電路圖如圖八所示。 圖八 低通濾波電路 若取R10=1kΩ，則由 可解得C1=4uF，另外取R9=50Ω，則此環(huán)節(jié)實現(xiàn)的放大倍數(shù)是，則實現(xiàn)了放大倍數(shù)的另一級分配，也還原了原始信號的相位。 所以至此，就實現(xiàn)了原始信號的測量處理，即能夠通過將質(zhì)量為0-10kg（也即壓力為0-100N）的物體作用于彈性元件（等截面梁）并通過應變片使其電阻發(fā)生變化進而使后續(xù)相關電路產(chǎn)生對應的0-10V的電壓實現(xiàn)對物體的稱重，也即1kg物體對應1V的電壓。將低通濾波后產(chǎn)生的直流電壓接入數(shù)顯表頭就可直觀地看出物體質(zhì)量的大小 四、誤差分析 誤差的形成主要來源于溫度誤差，造成溫度誤差的原因主要有以下兩個： 1、 敏感柵電阻隨溫度變化引起誤差 2、 試件材料與應變絲材料的線膨脹系數(shù)不同，使應變絲產(chǎn)生附加拉長或壓縮，引起電阻變化。 這樣的溫度誤差可以通過橋路進行補償，如本設計中的全橋電路就很好地實現(xiàn)了溫度的補償 其次，電橋還具有非線性誤差，由于對金屬絲電阻應變片，電橋非線性誤 可以忽略，所以也不影響本次設計。 最后，對于如同工頻等的干擾，我們盡量通過電路的優(yōu)化除去干擾，如通過高共模抑制比儀放以及低通濾波器進行改進。 因此，從理論上說，本次設計中的誤差還是比較好地得到了控制。 五、心得體會 我認為，在這學期的傳感器學習和實驗中，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗課上，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實驗結束之后變的更加成熟，會面對需要面對的事情。 六、致謝 很高興這一年和蔡老師的相處。我們不僅是師生，更成為了生活中的朋友。在這次設計中，離不開同學們的互相協(xié)助。沒有討論，就不會一次次得出正確的結果。更是離不開您的幫助與指導。我喜歡這門課、喜歡硬件設計、所以喜歡鉆研這一類的東西。在我遇到不懂的時候。是您耐心細致的給我指導。幫我度過這個困難關。在你的教學中，我從中學到的不僅是知識，也感到了娛樂性，在快樂中學習。謝謝您的悉心教導、認真細致、和對我的高要求，正是嚴師出高徒。也謝謝在座各位同學的幫助。