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传感器原理课设武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 目录 1.绪论1 1.1课程设计背景1 1.2传感器发展动态1 1.3电阻应变式传感器2 2.测量方案的制定5 2.1传感器的工作原理.5 2.2传感器的组成结构6 2.3轮辐式传感器7 2.4梁式传感器.8 2.5环式传感器 9 2.6柱式传感器 9 2.7测量原理框图12 3.弹性元件的计算与选择14 3.1弹性元件的材料 14 3.1.1弹性元件的要求.14 3.2弹性元件的选择 .14 3.2.1常见的弹性原件14 3.2.2硬化不锈钢材料介绍 14 3.3弹性元件的分析和计算 15 3.3.1弹性元件的参数计算.15 3.3.2截面积的计算 16 3.3.3柱高h及其他尺寸的确定17 4.电阻应变片的选择18 4.1电阻应变片的结构和工作原理18 4.2电阻片的应变效应18 4.3电阻应变片的相关选择19 5.外壳尺寸确定23 6.测量电路的选择与计算25 6.1 桥路的选择25 6.2 放大电路的设计与参数计算27 6.3 相敏检波电路的设计与参数算30 6.4 低通滤波电路的设计与参数算32 7.误差与精度分析34 7.1 误差来源.34 7.2 数据处理34 8.心得体会36 9.参考文献37 1 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 1.绪论 1.1课程设计背景 现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和处理技术，也就是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”、“大脑”。如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高反应速度的控制系统。可见传感器技术是一种和其他多种现代科学技术密切相关的尖端技术。应变式力传感器用作静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器 ，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。现代电子技术和电子计算机为信息转换与处理提供了极其完善的手段，使检测与控制技术发展到崭新阶段。但是如果没有各种精确可靠的传感器去检测各种原始数据并提供真实的信息，那么，电子计算机也无法发挥其应有的作用。 1.2传感器发展动态 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，以达到高质量的转换效能，是总的发展途径。 由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对测控系统的精度提出更高的要求。近年来，微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到应用，而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术，根据这些时代特点，传感器将向以下几个方面发展：为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能提高，例如对于火箭发动机燃烧室的压力测量，希望测量精度的功能优于0.1%，对超精度 2 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 加工“在线”检测精度高于0.1mm，因此需要研制出高精度的传感器，以满足测量的需求。目前我国以研制出精度优于0.05%传感器。 1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器具有悠久的历史。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感。电阻应变式传感器具有以下很多优点： 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； 易于实现测试过程自动化合多点同步测量、远距离测量和遥测； 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量； 可以测量多种物理量。 电阻应变式传感器的结构和工作原理很简单。电阻应变式式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生变形，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，测量电阻应变片的电阻值变化就可以确定被测量的大小了。 本次设计制作柱式压力传感器，柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种。应变片粘贴在弹性体外壁应力均匀的中间部分，并均匀对称地粘贴多片。因为弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性有影响。所以对实心圆柱，一般取H2D+L，而空心圆柱一般取HD-d+L ，式中H为圆柱体高度，D为圆柱外径，d为空心圆柱内径，L为应变片基长。 根据材料力学和惠斯顿电桥原理。柱式弹性元件的参数可用下式计算： S=(1+m)KF2AE´103式中S 传感器的灵敏度，静态使用时可取 11.5 mV/V 那；如进行灵敏度补尝及线性补偿等，上列值应再乘以 1.21.25 倍；料的泊松比； F传感器的额定负荷； K应变计的灵敏系数； E材料的弹性模量； A弹性元件贴片部位的截面积： 圆筒式：(1-1) 3 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 圆柱式：(1-2) 选择 D 与 d 时，要考虑到构件的稳定性及加工条件，圆筒式的壁不能太薄。两端的刚度要足够。当安装、紧固传感器时，不应使中段产生腰鼓变形。过渡部分的圆弧半径不可太小，以避免造成应力集中而影响疲劳寿命。为使贴片部位应力分布均匀，长度L不可太短，圆柱式一般取 L = ( 22.5 ) D ，圆筒式可适当短一些。 弹性元件中段的应力为： =F/A 材料选定后，应检查是否满足。为许用应力，一般取： =s 式中，s材料的屈服点 柱式力传感器的结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。在测1000 10000N时，为了提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱式结构。 4 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 2.测量方案的制定 2.1传感器的工作原理 电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。 弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变片传感器的核心元件。那么现在举几个简单的例子来说明传感器的原理，如图2-1、2-2所示。 图2-1 柱式力传感器原理图 图2-2 梁式力传感器原理图 上面两个例子简单说明了传感器的工作原理，其中图2.1是柱式力传感器原理图。当圆柱里的应变片受力变形时，R1、R2会随力增加而缩短，同时，外面的电阻R3会受应力而拉伸。在弹性范围内，应力与应变成正比关系： e=Dll=sE=FSE 5 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 式中：F作用在弹性元件上的集中力；S圆柱的横截面积。 这个公式说明应力的变化和圆柱体受力的大小和圆柱的横截面积有关，其中一个变化应力就随着变化。 同样的道理图2是梁式力传感器的简易原理图，弹性元件为一端固定的悬臂梁，力作用在自由端，顺着l的方向分别贴上R1，R2，R3，R4电阻应变片。此时，R1、R4随力增加而拉伸，R2、R3随力增加而压缩，两者发生极性相反的等量应变，粘贴应变片处的应变为： e=sE=6FlbRE2这种传感器会因受力的变化应力也改变。 上述这两种传感器具有结构简单、加工容易、应变片容易粘贴、灵敏度高等特点。 2.2传感器的组成结构 传感器亦称变换器，是将各种非电量按一定的规律转换成便于处理和传输的另外一种物理量的装置，它能把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路3部分组成，有时还需加上辅助电源，其原理如图2-3所示。 图2-3 传感器原理框图 其中：敏感元件直接感受被测物理量，如在应变式传感器中为弹性元件；传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件；测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路，使用较多的是电桥电路。由于传感器元件输出的信号一般较小，大多数的测量电路还包括放大电路，有的还包括显示器，直接在传感器上显示出所测量的物理量； 6 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。 敏感元件：敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。例如铂式电阻能根据感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降做出的响应，所以铂式电阻就是一种温度敏感元件。又如弹性膜盒能根据感受压力的高低而引起形变，形成程度就是对压力高低做出的响应。因此，弹性膜盒是一种压力敏感元件。 为了获得被测变量的精确数值，不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵敏，还希望它不受或少受其它环境因素的影响。也就是说，敏感元件的输出响应最好单值地取决于输入被测变量。例如箔电阻的阻值除受温度影响外，也受应力的影响，这就要求用适当的工艺消除应力。弹性膜盒的形变除取决于压力变化外，也和环境温度变化有关，必要时应采取温度补偿措施。敏感元件的输出响应与输入变量之间如果是线性关系，当然最便于应用。即使是非线性关系，只要这种关系不随时间而变化，也可以满足使用的基本要求； 传感元件：传感器不只是一般的敏感元件，它的输出响应还应该必须是易于传送的物理量，所以就要用到传感元件。传感元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成易于传递的物理量的部分。例如弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量，不便于远距离传送； 测量电路：转换电路是将转换元件输出的可用信号作为输入，将其进行放大、显示和记录的电路。转换电路的类型和被测量、测量原理以及转换元件有关，常用的电子器件有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。 2.3轮辐式传感器 外加载荷作用在轮的顶部和轮圈底部，轮辐上受到纯剪切力。每条轮辐上的剪切力和外加力F成正比。当外加力作用点发生偏移时，一面的剪切力减小，一面增加，其绝对值之和仍然是不变的常数。应变片(8片)的贴法和连接电桥如图2-4所示。可以消除载荷偏心和侧向力对输出的影响。这是一种较新型的传感器，其优点是精度高、滞后小、重复性及线性度好。 7 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 图2-4轮辐式传感器 2.4梁式传感器 梁式力传感器有多种形式，有等截面梁，等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。等截面梁其特点为结构简单，易加工，灵敏度高。适合于测5000N以下的载荷，也可以测量小的压力。等强度梁力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等，故对粘贴应变片位置要求不严。另外梁的形式还有平行双孔梁、工字梁、S型拉力梁等。 8 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 图2-5平行梁式传感器外形尺寸 2.5环式传感器 环式常用于测几十千克以上的大载荷，它的特点是应力分布变化大，且有正有负，便于接成差动电桥。环式弹性元件包括典型的圆环式、扁环式、柱环式等。 图2-6环式力传感器 其中为圆环式，为扁环式，为柱环式，为电桥电路 2.6柱式传感器 柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种。应变片粘贴在弹性体外壁应力均匀的中间部分，并均匀对称地粘贴多片。因为弹性元件的高度对传感器的精 9 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 度和动态特性有影响。所以对实心圆柱，一般取H2D+L，而空心圆柱一般取HD-d+L ，式中H为圆柱体高度，D为圆柱外径，d为空心圆柱内径，L为应变片基长。 图2.1和图2.2表示出柱式、筒式弹性元件的结构。根据材料力学和惠斯顿电桥原理。柱式弹性元件的参数可用下式计算： 式中S 传感器的灵敏度，静态使用时可取 11.5 mV/V 那；如进行灵敏度补尝及线性补偿等，上列值应再乘以 1.21.25 倍；料的泊松比； F传感器的额定负荷； K应变计的灵敏系数； E材料的弹性模量； A弹性元件贴片部位的截面积： 圆筒式：圆柱式：选择 D 与 d 时，要考虑到构件的稳定性及加工条件，圆筒式的壁不能太薄。两端的刚度要足够。当安装、紧固传感器时，不应使中段产生腰鼓变形。过渡部分的圆弧半径不可太小，以避免造成应力集中而影响疲劳寿命。为使贴片部位应力分布均匀，长度L不可太短，圆柱式一般取 L = ( 22.5 ) D ，圆筒式可适当短一些。 弹性元件中段的应力为： =F/A 材料选定后，应检查是否满足。为许用应力，一般取： =s 式中，s材料的屈服点 柱式力传感器的结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。在测1000 10000N时，为了提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱式结构。 10 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 图2-7 圆柱面展开及电桥 a)圆柱面展开图 b)电桥连接示意图 图2-8柱式传感器外形尺寸 综上所述，总结出四种弹性体的比较表如表2.1所示： 类型 轮辐式 梁式 环式 柱式 负载能力 大 小 较大 大 精度 高 高 高 较高 线性度 好 较好 好 较好 工艺性 较复杂 简单 较复杂 简单 体积 较小 小 小 大 表2.1 四种弹性元件的比较 结论：对以上各种形式的传感器进行比较，由于柱式传感器具有负载能力大，精度较高，加工工艺简单，线性度较好等特点，并根据题目的参数要求，测力范围：11 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 1×1031×104 N，称量精度：±1%和器件的应用性，加工性，本设计选用柱式传感器作为测量元件。 2.7测量原理框图 图2-9 测量原理组成框图 1）电桥 电桥多采用惠斯顿电桥，由正弦波产生电路供给等幅正弦波作为桥路电源，正弦波频率一般为510倍测量信号最高频率。电桥输出为一调幅波，其幅值按所测应变大小变化，其相位按应变正、负相差180度。 2）放大器 放大器的作用是将微弱的调幅波进行不失真的放大，提供给后续的处理或显示电路。 3）相敏检波电路 经放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原为被检测应变信号的波形。为了区别应变的极性，本次课设采用了相敏检波器。 4）低通滤波器 由相敏检波器输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤掉，方能得到被检测应变信号的正确波形。可采用各种形式低通滤波器。滤波器的截止频率只要做到0.30.4倍载波频率，即可满足频率特性的要求，顺利地滤掉载波成分，而让应变信号顺利通过。 5）正弦信号发生器 12 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 正弦信号发生器的作用是产生一个频率、振幅未定且波形良好的正弦交流电压，作为电桥供给电压和相敏检波的参考电压。载波波形一般要求不低于被测信号频率的510倍，以保证调幅波的包络接近应变波的波形。 13 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 3.弹性元件的计算与选择 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。 3.1弹性元件的材料 3.1.1弹性元件的要求 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。 3.2弹性元件的选择 3.2.1常见的弹性元件 等截面梁 等强度梁 两端固定梁 环式弹性元件平膜片 垂链式膜片波纹膜片和膜盒圆柱式弹性元件波纹管 3.2.2硬化不锈钢材料介绍 不锈钢称重传感器的弹性元件，多使用马氏体弥散硬化不锈钢。例如美国的17一4PH, 15-5PH, AIS1630，英国的630, 631和日本的SUS630等。这两种不锈钢具有良好的焊接性能，无磁性汉材R多介质有很强的抗腐蚀能力，抗微塑变形能力强，并具有较高的耐应力松弛性能。又由于这类不锈钢有非常好的塑性，便于加工，可用来制造形状复杂的弹性元件，所以被广泛应用。17 -4PH和15 -5PH不锈钢的主要物理常数完全相同，即弹性模量E = 2.0 *1011 Pa，泊桑比14 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 =0.272，密度P=7. 8g/cm3。 结论：根据应变式拉/压传感器的使用特性和性能指标, 本次的传感器的要求又是要求精度不太高，并为保证弹性稳定性好，故弹性体选用硬化不锈纲材料。 3.3弹性元件的分析和计算 对于荷重测量，要求传感器弹性元件具有高的弹性极限、高的冲击韧性和疲劳极限，具有良好的机械加工和热处理性能，具有高的抗氧化、抗腐蚀性能，而且热膨胀系数和弹性滞后应尽量小。 对于本设计，比较圆柱式弹性元件与S型弹性元件，由于S型只适用于较低应力的场合，故选用圆柱式。 3.3.1弹性元件的参数计算 圆柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如下图所示。 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。 =Dll=sE=FSE (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 (3-2) 而 S=d2 / 4 (3-3) 式中d为实心圆柱直径。 则直径 d³4Fps (3-4) 由上列各式知，若想提高变换灵敏度。必须减小横截面积S。但S减小其抗弯能力也减弱，对横向干扰力敏感。为了解决这个矛盾，在小集中力测量时多采用空心圆筒或采用承弯膜片，空心圆筒在同样横截面情况下，横向刚度大，横向稳定性好。同理，承弯膜片的横向刚度也大，横向力都由它承担，而其纵向刚度小。 空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。 15 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 由于 p4D³2Fs (3-5) 所以 D³式中：D空心圆柱外径 4Fps图4-2 金属丝拉伸后的电阻变化 考虑到金属材料的泊松效应，经数学变换可以得到金属丝的电阻应变特性 即 令 dRR=(1+2m)ex+drrexdR/RexKs=(1+2m)+dR/Rdr/rexex=(1+2m)+dr/rKs称为金属丝的灵敏系数，表征金属丝产生单位变形时电阻相对变化的大小。由于Ks目前还不能用确切的表达式给出，因此Ks都由实验测得。实验表明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻相对变化dR/R与应变ex式成正比的，故Ks是一个常数。所以式以增量表示为 DRR=Ksex 金属丝做成敏感栅时，其电阻应变特性就与直线时不同了，实验表明，应变片的 DRR与ex的关系在很大范围内仍有很好的线性关系，即 DRR=Kex 式中K为电阻应变片的灵敏系数。因为应变片存在横向效应所以K< Ks。 4.3电阻应变片的相关选择 应变片材料的选择 现代应变片根据实际需要已发展成为多种型式：尺寸长的有几百毫米，短的仅0.2毫米；形式上有单片。应变花和特殊形状的图案;使用环境，有高温、低温、19 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 水下、抗辐射、高压、抗强磁场等；安装形式有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。此外，应变片的工艺和原理还被移植到其他领域，产生了许多性能优良的特殊片，如高精密电阻、疲劳片、裂纹片、测温片及传感器补偿片等。因此，传感器仅仅是应变片技术的应用领域之一。 对应变片的要求： 1）灵敏系数Ks和电阻率r要尽可能高而稳定，电阻率dR/R与机械应变e之间应该具有良好而宽广的线性关系，即要求Ks在很大范围内位常数； 2）电阻温度系数要小，电阻温度间的线性关系和重复性好； 3）机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小； 4）抗氧化、耐腐蚀性能强、无明显机械滞后。 制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁镍铬合金、贵金属材料等，本设计选择康铜箔片作为敏感栅材料。康铜这种材料容易得到，价格便宜，其电阻温度系数较小。 应变片基底材料 基底的作用是固定应变计的敏感栅，使它保持一定的几何形状，并使电阻敏感栅与弹性元件相互绝缘。所以它是电阻应变计的重要组成部分。应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸类逐渐被胶基取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成膜，厚约0.030.05mm.对基底材料性能的要求有如下要求： 1) 机械强度高，挠性好； 2) 粘贴性能好； 3) 电绝缘性能好； 4) 热稳定性好和抗湿性好； 5) 无滞后和蠕变。 所以可以选用玻璃纤维布作为基底材料。 引线材料 引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线，一般要求引出线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。常温应变计引出线多用镀银紫铜丝或铜带，高温应变计多采用镍铬、银、铂或铂铬等。高疲劳寿命的应变计采20 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 用铍青铜作引出线。引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。康铜丝敏感栅应变片引线采用直径为0.050.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。 粘合剂 电阻应变片工作时总是被粘贴在试件或传感器的弹性元件上。在测试被测量时粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。所以粘合剂与粘贴技术对于测量结果有直接作用。 粘合剂的要求有： 1）有一定的粘结强度； 2）能准确传递应变； 3）蠕变小； 4）机械滞后小； 5）耐疲劳、性能好 6）长期稳定性好； 7）能够足够的稳定性能； 8）对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用 9）有适当的贮存期 10）有较大的使用温度范围。 一般情况下，粘贴与制作应变计的粘结剂是可以通用的。但是，粘贴应变计时受到现场加温、加压条件的限制。通常在室温工作的应变计多采用常温、指压固化条件的粘结剂；非金属基应变计若用在高温工作时，可将其先粘贴在金属基底上，然后再焊接在试件上。在实际上不可能满足所有的要求只能针对具体条件和主要性能要求选用适当的粘合剂。 应变极限 对于已安装好的应变计，在一定温度下，指示应变与被测试件真实应变的相对误差不超过一定值，对于正弦波的响应误差随着栅长l0和频率f的增加而增加，按给定精度e确定l0和fl0<lmax=max： lp6e fnmax=pl06e 因此基长应尽量短才能更好地测量出应变值。 按照设定的最高工作频率f l0=max,精度等级为1级， nf6emaxp应变片的结构选择 应变片的结构形式很多，主要有丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片等。 22 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 比较三种电阻应变片的特点： 丝式应变片：制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。但回线式应变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。 箔式应变片：表面积大、散热性能好，静态、动态特性好，可通过较大工作电流，横向效应小，蠕变、机械滞后小，疲劳寿命高，但工艺复杂。 半导体应变片：灵敏系数大，动态特性好，但重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。 根据测量条件，选用丝式应变片作为敏感元件。 5.外壳尺寸确定 综合上述分析计算，次课程设计选用NS-B柱式荷重传感器 图5.1 NS-B柱式荷重传感器实物图 量程 0.1t 0.7t 1t 5t 10t 20t Ø1 26 26 30 30 45 45 Ø2 48 48 64 64 84 84 Ø3 54 54 64 64 88 88 Ø4 32 32 40 40 52 52 H1 70 70 90 90 130 130 H2 54 54 70 70 105 105 SR 26 26 35 35 55 55 4M 5 5 6 6 8 8 23 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 25t 55 30t 55 104 108 70 150 120 60 10 104 108 70 150 120 60 10 表5.1 NS-B柱式荷重传感器外形尺寸 图5-2 NS-B柱式荷重传感器结构尺寸 24 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 6.测量电路的选择与计算 6.1 桥路的选择 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转换成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。 当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化R/R。在一定应变范围DR=Ke内R/R与的关系满足下式：R，为应变片的轴向应变。 定义K=(R/R)/为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化R/R与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比。 电阻应变片计把机械应变转换成R/R后，应变电阻变化一般都很微小，这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变片计的R/R变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。 若将电桥四臂接入四片应变片，如图6-1所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。 在接入四片应变片时，需满足以下条件：相邻桥臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应相同。可简称为：“相邻相反，相对相同”。 此时 Uo=E(R+DR)2R-E(R-DR)2R=EDRR全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度 图6-1 全桥电路 为单片工作时的4倍，同时具有温度补偿作用。当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。 直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥的调节平衡电路简单，如果测量静态量，输出为直流量，精度较高；传感器及测量电路的分布参数影响25 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 小。直流电桥的缺点是容易受工频干扰，产生零点漂移。在动态测量时往往采用交流电桥。 交流电桥如图6-2所示。其输出电压为U=平衡条件为 z1z4=z2z3 设各臂阻抗为 zi=ri+jxi=Ziejj 1z1z4-z2z3(z1+z2)(z3+z4)Ui故交流电桥的平衡条件为 Z1Z4=Z2Z3 j1+j4=j2+j3 图6-2 交流电桥 26 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 图6-3 交流电桥的平衡调节 6.2 放大电路的设计与参数计算 为了将从传感器输出的微弱信号进行放大，以便送至后续电路进行处理，同时从传感器输出的信号带有很大的共模分量，所以这里选用差动放大器来进行设计。 一般的通用的差放电路如图6-4所示： 其中，R1=R2，R3=R4； Vo=(V2-V1)*R3/R1=(V2-V1)*R4/R2 此电路的特点是结构简单，但缺点就是输入电阻不够理想的大，所以需要对此电路进行改进，以增加输入电阻的阻值。 可以在图6-4所示的电路的输入前加一级如图6-5所示的电路。 在图6-5中，V2-V1=(Vi2-Vi1)*(R2+R3+R4)/R4,由图可知，此电路的输入阻27 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 抗很大，将图6-4和图6-5对接起来，这样就解决了输入阻抗小的问题。 最终电路如图6-6所示。 在图6-6中，Vo=(Vi2-Vi1)*(R3+R7+R6)*R4/(R6*R5). 图6-4 一般的差放电路 28 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 图6-5 图6-6 但本次课设为简便起见并未采用上述设计，而是选用的是反向串联型高共模抑制比放大电路 29 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 6.3 相敏检波电路的设计与参数计算 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。 为什么要采用相敏检波？ 包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。 一般的相敏检波电路如图6-7所示。 在图6-7中，Q1为增强型N沟道MOS管，UC为输入的参考信号，当UC为高电平时Q1导通，对地电阻比较小，相当于接地。当UC为低电平时，Q1截止，对地阻抗为无穷大，相当于断开。 由图可知，当UC为高时，Uo=-(R3/R2)Us,令R3=R2，则Uo=-Us。 当UC为低时，Uo=Us。这样电路就有了相敏检波的能力。 需要注意的是，由于Q1导通时体电阻始终不可能为0，所以应该尽量增加R1的阻值，以便在Q1导通时4点的电位尽量接近0. R2和R3的选取可以根据输入输出电阻的要求或是减小失调电压的影响而适当的选取。 30 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 图6-7 相敏检波电路 图6-8 图6-8中方波为UC即参考信号，正弦波为US即输入信号。 31 武汉理工大学传感器原理课程设计说明书 图6-9 图6-9为输出Uo的波形 6.4低通滤波