应变式拉压力传感器及转换电路设计.docx

课程设计课程名称传感器设计与实践题目名称 应变式拉/压力传感器及转换电路设计学生学院信息工程学院专业班级09计算机测控（1）班学 号学生姓名指导教师2012年6月广东工业大学课程设计任务书“传感器设计与实践”之四题目名称应变式拉/压力传感器及转换电路设计学生学院信息工程学院专业班级测控技术与仪器（计测0901班）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：了解应变式拉/压 力测量的一般方法；制定利用传感器测量拉/压力的方案；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软件进行拉/压力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：5X1031.2X105 N；测量精度：±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、了解拉/压力测量的一般方法，制定利用传感器测量拉/压力的方案；2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸；3、拉/压力测量用传感器结构设计；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 3-1016月4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；确定传感器主要结构尺寸工学1#-1076月57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810日4根据所设计的传感器结构，设计转换电路工学1#-1076月11日5传感器测量转换电路仿真调试工学1#-1076月1213日6传感器制作工艺研究工学1#-1076月13日7撰写设计说明书工学1#-1076月14日8分组答辩工学1#-1076月15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，1998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：2012年6月4日指导教师签名：陈益民、黎勉、查晓春计划完成日期：2012年6月15日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：摘要：应变式拉/压力传感器广泛应用于自动控制和质量控制，称重系统，闭环控制，纺 织机械，检测机械的闭环控制，质量控制，自动化机械，起重机，运输工具，钻井工具，印 刷机，金属，橡胶，纸等机械上。为了进一步改善电阻应变式拉力传感器各项的形状尺寸与 性能指标，本课程设计重点研究传感器的工作原理，其中包括基本的理论分析、弹性元件的 选材、弹性元件的尺寸设计、应变的选材、应变校验等。而课程设计的内容包括：1、掌握和 了解相关传感器的基本测量方法和研究动态；2、制定所测物理量的传感器测量方案；3、利 用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析计算；4、利用CAD软件进行传感器结构设计和 零部件设计；5、对传感器转换电路进行必要计算，进行电路设计调试；6、对传感器静态特 性标定设备和方法进行研究。因此，本课程设计的基本步骤为：第一，了解电阻应变式拉力传感器相关知识背景，阐述设计思想；第二，选定传感器方案，确定电阻应变式拉力传感器的结构；第三，进行必要的理论分析与计算；第四，进行电路转换设计；最后，在附录上附带了电阻应变式拉力传感器的装配图、零件图以及传感器信号放大电 路的仿真电路图。关键字：应变式拉/压力传感器弹性元件应变片转换电路信号放大电路目录1. 绪 论61.1. 相关背景61.2. 设计概述62. 设计的目的和意义72.1. 设计目的72.2. 设计意义83. 测量原理及其特点83.1. 测量的原理83.2. 测量特点94. 传感器结构设计104.1. 几种传感器的比较及选定104.2. 弹性元件材料的选定及要求134.3. 几种应变片的比较及选定164.4. 应变片材料的选定及要求174.5. 联接结构的设计194.6. 壳体的设计204.7. 防尘的设计205. 相关理论分析计算和部件的设计215.1. 基本的理论分析215.2. 弹性元件的尺寸设计225.3. 应变片的计算235.4. 应变校验236. 绘制相应的结构设计CAD图（见附录一）247. 测控电路设计及计算247.1 .转换电路设计247.2. 电桥转换电路247.3. 放大电路和共模抑制电路257.4. 手动可调幅可调电路268. 电路的调试与仿真278.1. 电路的调试278.2. 用MATLAB实现的FV特性图289. 传感器的标定2910. 相应的电路原理框图及电路图3011. 总结301.绪 论1.1. 相关背景人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究 自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。 因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是 要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的 各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没 有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领 域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要 观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓 新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真 空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适 应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难， 而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的 发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊 断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到 浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感 器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世 界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到 与其重要地位相称的新水平。1.2. 设计概述电阻应变式拉力传感器广泛应用于自动控制和质量控制，称重系统，闭环控制，纺织机 械，检测机械的闭环控制，质量控制，自动化机械，起重机，运输工具，钻井工具，印刷机， 金属，橡胶，纸等机械上。既有一般应用的产品，也有适合特别应用的产品。产品有各种型 号，既有超小的，也有柱状的，能适合各种各样的应用。而本课题所研究的范围为电阻应变式拉力传感器的转换放大电路。其目的和意义在于： 根据力传感器的测力范围和称量精度，合理选择电阻应变片材料、阻值和粘贴方式，并根据 需要将之接成半桥单臂、半桥双臂或全桥形式，由于电桥输出电压较小，需经测量放大器放 大至伏继级电压，以便后接仪表或为A/D转换所用。其主要的技术指标为测力范围5X103 2.1X105 N，称量精度：土 1%。本设计采用了圆筒式弹性元件，稳定性好，输出信号大，灵敏度高，精度高等特点。应 变片采用了箔式应变片，转换电路为高输出精度的全桥电路，采用三级放大电路，利用补偿 电阻进行温度补偿。所包含的内容有：1）掌握和了解相关传感器的基本测量方法和研究动态；2）制定所测物理量的传感器测量方案；3）利用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析计算；4）利用CAD软件进行传感器结构设计和零部件设计；5）对传感器转换电路进行必要计算，进行电路设计调试；6）对传感器静态特性标定设备和方法进行研究。所包含的知识点有：传感器原理、传感器类型与结构，传感器技术参数，影响技术参数的因素及设计中的考 虑，传感器敏感元件选择与计算、结构设计，传感器工程图纸设计，转换、放大电路，电路 调试软件及步骤，电路的设计与调试，传感器的标定方法等。2. 设计的目的和意义2.1.设计目的通过本设计与实践，要求学生利用所学的基础理论，从设计步骤、设计表达、实际电路 调试等方面，全面掌握相关传感器的设计与调试技术。培养学生综合运用所学知识进行工程 设计的实践能力，包括动手能力，独立思考能力，以及分析和解决工程实际问题的能力。2.2. 设计意义本课程是测控技术与仪器专业一个重要的实践性教学环节，是引导学生把基础理论与实 际应用相结合的一个必不可少的中间环节。3. 测量原理及其特点31测量的原理测量基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，亦即利用金属的电阻应变效应（即 应变片的电阻随其本身的形变而发生变化），将测量物体变形转换成电阻变化，再经转换电路 变成电量输出。引起的阻值变化AR，伸长量，电阻率变化量，横截面积的相应减小量、；则 有：R MAS Ap(3-1)(3-2)(3-3)=+ RlSp式中，兰为长度相对应变量，用应变8表示，即lAl8 = lAS . _-r -、 一竺为圆形电阻丝横截面的相对变化量，即SAs - Ar=2sr由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应 变和径向应变的关系可表示为ArAL=u = us（3-4）rL式中，u为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。将式（3-2）式（3-3）代入式（3-1），可得AR = G + 2宓+业（3-5）RP或AR 8 =（L + 2u）+ 业 8（3-6）通常把由单位应变引起电阻值的相对变化量称为电阻丝的灵敏度系数。其表达式为电阻丝的灵敏系数受两个因素决定：一个是受力后材料几何尺寸的变化，即G + 2日）；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即平.论。对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表 达式中G + 2日）的值要比苔.论大得多，而半导体材料的等汪项的值要比G + 2日）大得多。大 量实验证明，在金属电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。根据金属电阻应变片的结构特点，当被测试件受到外力作用产生微小机械应变式，应变 片会发生相同的变化，引起应变片电阻值也发生相应的变化。试件所受外力F与应变8的关 系为F = E S £（3-8）式中，F试件所受外力；S试件横截面积；8 试件的应变；E试件材料的弹性模量。由此可知，试件所受外力F正比于电阻应变片应变量8，而8正比于电阻的相对变化竺，R这就是利用应变片测量应变的基本原理。3.2.测量特点电阻应变式传感器是电阻应变片为传感元件的传感器，由弹性敏感元件和电阻应变片组 成。将电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件在被测量作用时其表面会出现变 形，致使其表面所附的电阻应变片的电阻值随之产生应变，与之相应的测量电路可组成测量 位移，拉力，压力，加速度，扭矩，温度等多种测试系统。目前已广泛应用于冶金，电力， 交通，外贸，国防等部门，它之所以成为如此受宠主要有以下优点：（1）精度高，测量范围广，适合静态和动态测量；（2）使用寿命长，性能可靠稳定；（3）结构简单，尺寸小。4. 传感器结构设计4.1. 几种传感器的比较及选定应变式测力传感器一般由弹性体、应变计和外壳组成。应变式传感器技术成熟，能很好 应用在大负载的测量中。只要把应变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。弹性体是测力传感器的基础，应变计是传感器的核心。根 据弹性体的结构形式的不同分为：柱式，轮辐式，梁式，环式等。4.1.1. 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，并均匀对称布置。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HN2D+L，而空心圆柱一般取HND-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。贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接， 其特点是R1、R3串联，R2、R4串联并置于相对位置的臂上，以减少弯矩的影响。横向贴片 作温度补偿用。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。它有如下优点：(1) 结构简单紧凑、体积小、重量轻、坚固耐用；(2) 弹性体的几何形状简单，设计计算、机械加工、表面处理都极简单；(3) 传感器刚性好，固有频率高，动态响应好，有利于动态测量；(4) 对振动不敏感，一般使用温度下允许3g的振动，抗过载能力和抗冲击能力均优于 其它任何结构的传感器；图4-2圆柱面展开及电桥a)圆柱面展开图b)桥路连接图(5) 柱式传感器的计量轴线与负荷方向重合，不存在固定支架边界条件对它的影响和约 束，所以柱式传感器的重复性误差、滞后误差比其它任何结构的传感器要小得多。图4-1圆柱式力传感器4.1.2. 梁式传感器梁式力传感器有多种形式，如下图所示。图a为等强度梁，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，故对在f方向上粘贴应变片位置要 求不严。图b为等截面梁，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。但是因表面沿Z方向各点的力分布不等，对四个（或两个）贴片 的位置要对称。图c为双孔梁，多用于小量程，如工业电子秤和商业电子秤。图d为“S”形 弹性元件，适用于较小载荷。图4-3梁式力传感器4.1.3. 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b所示。其优点是精度高、滞后小， 重复性及线性度好图4-4轮辐式传感器4.1.4. 环式传感器环式传感器常用于测几十千克以上的大载荷，与柱式相比，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。4.1.5. 传感器类型的选定表41 四种弹性元件的比较类型负载能力精度线性度工艺性体积柱式大较高较好简单大轮辐式大高好较复杂较小梁式小高较好简单小环式较大高好较复杂小根据题目的参数要求和器件的应用性、加工性、实际情况以及各传感器的优点等各个方 面考虑本设计选择柱式传感器作为测量元件。柱式传感器能够承受较大的负载，并且其精度 也较高，还具有易安装，易维修等特点。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。面积人实心圆柱(b)空心圆柱图45柱式力传感器实心圆柱可以承受较大的负荷，在弹性范围内，应力与应变成正比关系，即M b F£ =l E SE式中，F作用在弹性元件上的集中力；(4-1)S圆柱的横截面积。圆柱的直径要根据材料的允许应力以来计算，由于 F = S(4-2)而S = *2（4-3）式中，d为实心圆柱直径。则 4 F、d > ' （4-4）扑E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。由于（D2 -d2） >（4-5）4” 冗 F所以D > 里 + d2（4-6）'4c 式中，D空心圆柱外径；d空心圆柱内径。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 / D1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下式H >> 2D + L（4-7）式中，L为应变片的基长。对于空心的圆柱为H > D - d + L（4-8）比较分析选取空心圆柱作为弹性体。4.2. 弹性元件材料的选定及要求当外界载荷（力、力矩或压力）作用于物体上时，其形状和参数将发生变化。这一过程 称为物体的变形。当去掉外界载荷后，物体变形为零，这种变形称为弹性变形，这种物体称 为弹性元件或弹性体。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。4.2.1. 弹性元件材料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。4.2.2. 弹性元件材料的选定参照新编传感技术手册可得下表：表42传感材料参数材料铍青铜QBe217-4PH不锈钢恒弹性合金3J53密度g X cm-38.257.808.0屈服极限MPa103018501250弹性模量MPa134X103195X103G=70X103线膨胀系数 a/X10-6°C-i17.610.87.5-8.1泊松比0.320.2720.30机械品质因数-N1000弹性模量温度系数35X10-5/C-根据应变式拉/压传感器的使用特性和性能指标，本设计使用17-4PH不锈钢作为弹性元 件的制造材料，主要原因是17-4PH不锈钢具有以下优点：17-4PH合金是沉淀、淬水、马氏 体的不锈钢，和这个等级具有高强度、硬度（高达300°C/500°C ）和抗腐蚀等特性。经过热 处理后，产品的机械性能更加完善，可以达到高达1100-1300MPa (160-190 KSI)的耐压强 度。这个等级不能用于高于300°C(572 F)或非常低的温度下，它对大气及稀释酸或盐都具 有良好的抗腐蚀能力，它的抗腐蚀能力与304和430 一样。由于174PH不锈钢具有以上特 性，所以比较适合于用作应变式拉/压传感器的弹性元件材料。4.2.3. 弹性元件材料的处理为确保传感器的精度和性能的长期稳定性，消除弹性元件在机械加工和热处理中产生残 余内应力，是十分重要的。消除弹性元件残余应力的方法有：1、时效最有效的方法是长期自然时效，也可采用加温存放的人工实效方法，以加速稳定的过程。2、退火由于退火温度较高，保温时间较长，效果比较明显。3、反复加载和机械振动采用反复加载和机械振动的方法，有利于内应力的加速释放。特别是在应变式传感器中， 在铁片后进行的疲劳加载，有利于改善产肝气的性能。在需要考虑应变计的寿命式，可以在 贴片前适当增加疲劳次数，而贴片后适当减少次数。4、冷处理一般方法是在淬火、第一次回火后，冷到60C时就放入低温中进行保温处理。一般弹性 元件材料的淬火温度约为850C(冷油)、回火温度在400500C之间，硬度为HEC3448。4.2.4. 弹性元件衔接部件的整体图4.3. 几种应变片的比较及选定4.3.1. 箔式应变片箔式电阻应变片是基于电阻应变效应制成的。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通 过光刻技术、腐蚀等工序制成的一种很薄金属箔栅。其厚度一般在0.0030.01mm，其优点 是散热条件好，允许通过的电流大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。4.3.2. 电阻丝式应变片电阻丝式应变片工作原理和箔式应变片相同，其敏感元件是丝栅状的金属丝，从它的基 片材质又可以分为纸基的、纸浸胶基的和胶基的等。纸基应变片，制造简单，价格便宜，易 于粘贴，但耐热性和耐潮湿性不好。一般多在短期的室内实验中使用，在其他恶劣环境中使 用，要采取有效的防护措施。使用温度一般在70°C以下。如用酚醛树脂、聚脂树脂等胶液将 纸进行渗透、硬化等处理后，可使纸基应变片的特性得到改善，使用温度可提高到180C， 抗潮湿性也较好，可以长期使用。但粘贴时应注意将应变片粘贴牢固，防止翘曲。4.3.3. 半导体应变片半导体应变片最突出的优点是灵敏系数高，在应变片的应用上提供了很大方便。另外如 机械滞后小、横向效应小以及它本身的体积小等特点，扩大了半导体应变片的适用范围。半 导体应变片的缺点主要是：(1) 温度稳定性能差，灵敏系数和线性度随温度变化影响较大；(2) 在大应变片作用下，灵敏系数的非线性误差较大。在工程测试中是否选用半导体应变片，要综合考虑测量内容、精度要求，试验环境等因 素，并结合半导体应变片的特点而定。4.3.4. 应变片类型的选定箔式应变片相对于电阻丝式应变片及半导体应变片的优点：（1）金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近；（2）当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积要比丝材为大，使它 能更好的和试件共同工作。（3）箔栅的端部较宽，横向效应相应的较少，因而提高了应变测量的精度。箔材表面积 大，散热条件好，故允许通过较大的电流，因而可以输出较强的信号，提高了测量灵敏度。 箔式应变片的缺点是，生产工序较为复杂。引出线的焊点采用锡焊，不适用于高温环境下测 量，另外价格较贵。综合以上箔式应变片优良的性能，所以本方案选用箔式应变片，以保证较高的测量精度， 测量灵敏度及较高的性价比。44应变片材料的选定及要求4.4.1. 应变片材料的选定制作应变片敏感栅常用的材料有：康铜、镍铭合金、铁铭铝合金、铁镍铭合金、贵重金 属（铂、铂钨合金等）。材料性能列于下表：表43 制作应变片常用的合金材料材料名称化学成分电阻率p/106Q m电阻温度系数/（0一6）oC灵敏系数最高使用温度/°C特点康铜Cu55, Ni450.450.52±202.0300350最常用，尤适 用长时间、大 应变测量镍铬合金Ni80, Cr201.01.11101302.12.3静态450动态800多用于动态测量卡玛合金6J22Ni75,Cr20,Al3,Fe31.241.42±202.42.6静态 300400用作中高温应变片伊文合金6J23Ni75,Cr20,Al3,Fe21.241.42±202.42.6静态 300400铁铬铝合金Fe余量Cr26Al5.41.31.5±30402.6静态 500800动态 8001000用作高温应变片铂钨合金Pt90.591.5W8.59.50.740.761391923. 03.2静态800动态1000铂Pt0.090.1139004. 6静态800动态1000铂铱合金Pt80 Ir200.35904. 0静态800动态1000基于上述材料性能的比较分析，选用康铜作为应变片材料。4.4.2. 应变片敏感栅材料的要求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：（1）有较高的灵敏系数；（2）电阻率高；（3）电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；（4）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；（5）与其它金属接触的热电势小；（6）与引出线焊接容易。4.4.3. 应变片基底材料的要求基底（包括覆盖层）的作用时固定和保护应变计敏感栅，使敏感栅保持一定的几何形状， 并保证线栅与被测试件绝缘，它是应变计的重要组成部分。应变计的基底通常是纸或胶膜制 成。1、应变计基底材料的要求：（1）机械强度好；（2）粘贴容易；（3）电阻绝缘性能好；（4）热稳定性能好；（5）抗潮湿性能好；（6）挠性好（应变计易于贴在曲面上）；（7）滞后和蠕变小。2、选择基底材料对于一般应力分析采用纸基应变片；对于传感器多采用胶基应变计；对于高温应变测量 可采用金属薄片为基底的应变片。本设计属于一般的应力分析，采用纸基应变片。纸基应变片的覆盖层一般采用与基底相同的材料。表44基底材料的耐温范围基底材料下限上限（长期工作）上限（短时工作）纸-20701004.4.4. 引线及黏贴剂的要求1. 引线材料的要求康铜丝敏感栅应变片，引线采用直径为0.10.18mm的银铜丝，采用点焊。2. 粘贴剂的要求粘贴剂的主要功能是要在轴向准确的传递试件的应变，因此，它应具备：（1）与试件表面有很强的粘贴强度；（2）弹性模量大、蠕变小、滞后小，温度和力学性能参数要尽量与试件相匹配；（3）抗腐蚀、涂刷性好，固化工艺简单，变形小，使用简单，可长期储存；（4）电绝缘性能、耐老化与耐温耐湿性能均要良好。粘贴应变片的胶粘剂一般都采用热固性型胶粘剂如聚酰亚胺、改性的环氧-酚醛胶。这 类胶粘剂贴片后，经加压回热固化及后固化处理后，胶层具有很高粘结强度，电绝缘性能好， 因而传感器的蠕变、滞后及零漂小，传感器的稳定性也好。45联接结构的设计联接的要求：1. 机械上是坚固的，不怕振动。2. 避免热应力对芯片的影响。3. 电气上芯片与环境或大地是绝缘的，或芯片与大地是电连接的。4. 气密且耐水压力的。根据连接的要求，1. 传感器底座与支承面的固定：根据机械零件设计手册GB196-81，传感器底座的固定螺孔选用螺纹的直径D=2mm。2. 上盖与外壳选用螺纹连接：根据工作要求，选用螺距P=1mm的螺纹。3. 接线柱出口联接圆柱与外壳选用螺纹连接：根据机械零件设计手册GB67-85，选用M2螺钉，螺钉工作长度为325mm，选9.6mm。4.6. 壳体的设计1. 外壳与底座的选材：根据要求，外壳和底座需要有一定的刚度和强度，这里采用联体 设计，选用不锈钢作为材料；2. 上盖的选材：根据要求，上盖需要有一定的刚度和强度，因此选用不锈钢作为上盖的 材料；3. 受压头的选材：根据要求，受压头要有较大的刚度和强度，因此选用合金钢作为受压 元件的材料；4. 外壳的长为106mm,宽为90mm,高为124mm。4.7. 防尘的设计为了防止传感器内部器件（如应变片，受压轴等）受到尘埃，空气或其它液体（如油液） 的腐蚀，要进行一定的防尘措施。因此在受压轴上的受压头的轴肩处使用垫圈进行油封防尘；在外壳的上边缘处使用尼龙垫圈进行密封。具体尺寸如下：根据机械课程设计表16-9可知：垫圈选用尺寸为：内径d=2mm；外径D=6mm；垫圈厚b=1.06mm的零件。5. 相关理论分析计算和部件的设计51.基本的理论分析由静力学关系知，拉压弹性元件横截面上的正应力。应合成为轴力N,而。又处处相等， 所以有N = j b dA = b j dA = bAAAN即b = A式中，A为元件横截面的面积。显然，正应力b与轴力N成正比，与横截面面积A成反比。上式使用于任意形状的等截 面拉压元件。轴向拉伸时，横截面上的应力为拉应力；轴向压缩时，横截面上的应力为压应 力。根据材料机械性质可知，脆性材料轴向拉伸或压缩时，若其横截面上的正应力（也是各 截面上的最大应力）达到强度极限b，则在很小的变形下发生断裂破坏；塑性材料轴向拉 伸或压缩时，若其横截面上的正应力（同样也是其各截面上的最大应力）达到屈服极限b s， 虽然未发生断裂，但已出现塑性变形，不能保持原有的形状和尺寸，故不能正常工作，工程 上也认为其已破坏。脆性材料的强度极限和塑性材料的屈服极限b是构件正常工作的极限应力，如要 bs保证构件有足够的强度而正常工作，显然工作是的最大工作应力b max应低于上述的极限应 力，工程上通常将极限应力除以大于1的系数n，将所得结果称为许用应力，用。表示。lb"ns即对塑性材料对脆性材料和n称为安全系数，它是一个无量纲的量。上式中，大于1的ns许用应力和安全系数的数值，可在有关业务部门的一些规范中查到。目前一般机械制造 中，在静载的情况下，对塑性材料可取1.52.0。脆性材料均匀性较差，且断裂突然发生，有更大的危险性，所以取n b =23.5,甚至取39。许用应力是构件正常工作时应力的极限值，即要求工作应力。不超过许用应力。,这 就是构件轴向拉伸或压缩时的强度条件：o=N/AW 。一般而言，式中N应是构件内轴力的最大值，A为元件的横截面面积，对变截面杆，应 考虑N与A的比值，其最大值作为上式中的。5.2. 弹性元件的尺寸设计弹性元件采用空心圆柱式，弹性元件的屈服极限为os = 1850MPa，取安全系数n = 3.7。则可求弹性元件的许用应力卜=% = 500 MPan1.2 X 10 5500 X 10 6弹性元件的截面面积：m 2 = 2.4 x 10 -4 m 2 = 240 mm 2为使弹性元件的轴向应变适合要求而不产生塑性变形，避免弹性元件因过载而损坏，弹 性元件的截面面积A应适当取大一些，则取A=240mm2。选择D与d时，要考虑到构件的稳定性及加工条件，原因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的疲劳寿命。为使贴片部分应力分布均匀，长度L不可太 短，圆柱式一般为L=(22.5)D,而圆筒式则可适当短一些。选取空心圆柱的内径为d = 24mm，则外径：d = *+d 2 T4+242 mm=30 .09 mm为使理论计算和分析以及制造方便，取D = 31mm这样圆筒的壁厚t =(D d) /2 = 3.5mm圆筒的实际横截面积S=n(D2-d2)/4= 302.23mm2根据上述讨论，可得圆柱弹性元件的高度:取 h R-d+L=31-24+8=15mm为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，减小端面上接触摩擦和载荷偏心对变形的影响， 一般应该使H/D>3，但是H太大，弹性元件固有频率低，横向稳定性变差，故使H=55mm。应变片的计算金属丝式应变片的敏感栅材料直径范围为0.010.05mm。其基底很薄，一般在0.03mm 左右。能保证有效地传递变形。引线多用直径为0.150.3mm的镀锡铜线与敏感栅相连。应变片具体型号为BA-AA系列应变片，其特性如下表所示：表51应变片参数标称电阻栅长宽结构形式灵敏系数最大工作电流工作温度603000Q0.650mm18mm2.002.1225mA-30-150°C5.3.应变校验在进行弹性元件和应变片的选材及尺寸选择与计算后，开始对所选的参数进行校验。由 公式L=E式中，F工作作用力；。许用应力；S弹性元件的截面面积；E弹性元件材料的弹性模量，195Gpa已知F=(5000120000N)，S= 302.23mm2代入数据后可得：。二(16.54397.05MPa) Wo=500MPa代入数据后可得，弹性元件的应变范围为£ = (84.822036.15 U)。基本符合在1000 u £3000 u£范围内的应变极限。故上述对弹性元件和应变片的选材及尺寸计算所获得的 参数基本符合应变式拉/压力传感器的使用要求和性能指标。由于壁很薄，还必须检验是否会出现局部失稳。薄壁管的失稳临界应力公式为blim2 EtD=31mm,u=0.272其中，E=195GPa, t=3.5mm, d=24mm, 求得， lim = 41365.65MPa在超过满量程150%情况下，弹性元件截面中的应力为o=1.5F/S=1.5X1.2X 105/(302.23 X 10-6)Pa= 595.57X 106Pa= 595.57MPa因此，受力超过满量程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 该弹性元件不会出现弹性失稳。6. 绘制相应的结构设计CAD图（见附录一）7. 测控电路设计及计算7.1.转换电路设计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