傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)(應(yīng)變式測力儀).doc

成績評定： 傳感器技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 題 目 應(yīng)變式測力儀 院 系 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 姓 名 年 級 電 指導(dǎo)教師 蔡苗苗 2014年 11 月摘要電阻應(yīng)變式傳感器具有靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定、可靠、尺寸小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)，且能在惡劣的環(huán)境下工作，在力、壓力和重力要測試中有非常廣泛的應(yīng)用。所以電阻應(yīng)變式力傳感器制作的電子稱具有準(zhǔn)確度高，易于制作，簡單實(shí)用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點(diǎn)。對于電阻應(yīng)變片式測力傳感器（以下簡稱“測力傳感器”）來說，彈性體的結(jié)構(gòu)外形與相關(guān)尺寸對測力傳感器性能的影響極大?？梢哉f，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的外形及相關(guān)尺寸。假如測力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不公道，無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好，測力傳感器都難以達(dá)到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，對彈性體進(jìn)行公道的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變片 測力傳感器 精度 靈敏度目 錄一 、設(shè)計(jì)目的4二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求42.1設(shè)計(jì)任務(wù)42.2設(shè)計(jì)要求4三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析53.1設(shè)計(jì)方法53.2設(shè)計(jì)步驟63.3設(shè)計(jì)原理分析7四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會9五、參考文獻(xiàn)9一 、設(shè)計(jì)目的1、掌握傳感器選擇的一般設(shè)計(jì)方法；2、了解有關(guān)傳感器的基礎(chǔ)知識；3、加深對電子電路知識方面知識的理解；4、能夠熟悉傳感器的檢測以及應(yīng)用電路；5、培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實(shí)踐的能力；二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)1、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2、精度設(shè)計(jì) 3、傳感器設(shè)計(jì) 4、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路和調(diào)理電路；進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。繪制原理圖和PCB圖2.2設(shè)計(jì)要求1、應(yīng)用應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)的測量； 2、該應(yīng)變式傳感器具有溫度補(bǔ)償作用； 3、給出所選應(yīng)變片的型號及彈性敏感元件的類型；4、掌握測試結(jié)果數(shù)據(jù)處理方法、誤差分析方法以及精度評定方法。采用異步教學(xué)方法組織實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、動手能力與創(chuàng)新能力。三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析3.1設(shè)計(jì)方法3.1.1總體設(shè)計(jì)方案圖1 基于電阻應(yīng)變式測力傳感器的電子稱系統(tǒng)框圖3.1.2等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示，是一種特殊形式的懸臂梁。其特點(diǎn)是：沿梁長度方向的截面按一定規(guī)律變化，當(dāng)集中力作用在梁三角形頂點(diǎn)上時(shí)，距作用點(diǎn)任何距離截面上的應(yīng)力相等，故在對方向上黏貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。圖2 等強(qiáng)度梁3.2設(shè)計(jì)步驟3.2.1測量電橋設(shè)計(jì)為了消除非線性誤差和溫度誤差對測量結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)的測量電阻應(yīng)變式傳感器采用四臂差動式電橋測量電路。距固定端較近的表面順著梁的長度方向分別貼上、下四個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)。若承受拉力，則將受到壓力，兩者應(yīng)變相等，但極性相反，如下圖所示。 圖3 差動電橋3.2.2溫度誤差及其補(bǔ)償（1）溫度補(bǔ)償：由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生溫度誤差的主要因素有以下兩點(diǎn)。a.電阻溫度系數(shù)的影響。b.試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。（2）溫度補(bǔ)償方法：a.電橋補(bǔ)償法，也稱補(bǔ)償片發(fā)。 b.應(yīng)變片的自補(bǔ)償法。c.熱敏電阻補(bǔ)償法。 圖4 熱敏電阻補(bǔ)償3.3設(shè)計(jì)原理分析3.3.1應(yīng)變式測力傳感器應(yīng)變式測力傳感器是由彈性體、應(yīng)變片、膠粘劑、防護(hù)涂層、補(bǔ)償線路等部分組成的，其應(yīng)變傳遞路徑是：彈性體膠粘劑應(yīng)變片敏感柵覆蓋層防護(hù)涂層，構(gòu)成一個(gè)有別于應(yīng)變片本身的更復(fù)雜的系統(tǒng)。若把粘貼于彈性體上的應(yīng)變片暫稱為應(yīng)變片裝置（straingageinstallation），其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。圖5 典型的應(yīng)變片裝置的剖面圖應(yīng)變式測力傳感器的原理分析以CYL型應(yīng)變式測力傳感器為例。CYL型應(yīng)變式測力傳感器是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成，粘貼在傳感器彈性體上的高檔箔式應(yīng)變片組成全橋電路。當(dāng)受到載荷作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生變形，應(yīng)變片也相應(yīng)感受應(yīng)變，從而使電橋失去平衡，并輸出與作用力大小成正比的電信號。為了減少溫度對傳感器性能的影響，在電橋線路中增加了溫度零漂補(bǔ)償電阻T，溫度靈敏度補(bǔ)償電阻E和平衡電阻D，下圖為CYL型應(yīng)變式測力傳感器電路系統(tǒng)原理圖:圖6 CYL型應(yīng)變式測力傳感器電路系統(tǒng)原理圖 3.3.2原理分析應(yīng)變式測力儀由彈性元件、電阻應(yīng)變片等組成的測力儀叫做應(yīng)變式測力儀。其工作原理是把電阻應(yīng)變片貼在彈性元件表面，當(dāng)彈性元件受到力的作用產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片隨之產(chǎn)生變形，從而引起其電阻阻值的變化，可用下式表示，即：式中，K0為材料的應(yīng)變系數(shù)；為應(yīng)變片的應(yīng)變值。由上式可知，當(dāng)K0為定值時(shí)，只要測得電阻應(yīng)變片的的電阻變化R/R，即可得知試件表面應(yīng)變的大小，然后根據(jù)=E求得應(yīng)變力的大小。在應(yīng)變式測力儀中，經(jīng)常是將四個(gè)應(yīng)變片成對的橫向或縱向粘貼在彈性元件上，這樣應(yīng)變片就可以感受到彈性元件上的壓縮和拉伸變形，將四個(gè)應(yīng)變片接成某種形式的電橋電路，這樣就可以從電橋的輸出中得到應(yīng)變量的大小，從而根據(jù)應(yīng)變量與外力的關(guān)系得出作用在彈性元件上的作用力大小。3.3.3應(yīng)變式測力儀的測量原理敏感元件感受被測量的變化，在由于轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成易于測量的信號，由輸出電路輸出。 圖7 測力儀測量原理圖 3.3.4電阻式稱重測量圖圖8 運(yùn)算放大及V/F電路四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會4.4.1小結(jié)本論文應(yīng)用了應(yīng)變片的工作原理設(shè)計(jì)了一種測量力的傳感器。在傳感器的設(shè)計(jì)過程中，遵照了改善應(yīng)變力不規(guī)則分布的應(yīng)力集中原則，對彈性元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果。在電路設(shè)計(jì)上本設(shè)計(jì)使用了全橋電路不僅提高可測力傳感器的靈敏度而且很好地解決了溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}和傳感器的非線性問題。本文只對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的分析，有些問題還有待于進(jìn)一步的分析。隨著科技的進(jìn)步，傳感器的發(fā)展將是日新月異的、突飛猛進(jìn)的。其發(fā)展也是將各個(gè)學(xué)科之間相互交叉、相互滲透和相輔成的。4.4.2體會為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)將結(jié)束，在這一星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、焊接過程中我感觸頗深，使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識。通過這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法以及如何提高電路性能等等。通過一周的努力，我們的課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束，這意味著這一階段艱苦的熱烈的付出即將告一段落。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益匪淺，這除了自身的努力外，與指導(dǎo)老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的，讓我獲得了許多的經(jīng)驗(yàn)與知識。參考文獻(xiàn)1郁有文.常鍵.傳感器原理及工程應(yīng)用.西安電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.20072嚴(yán)普強(qiáng).黃長藝.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社.2000.3 王雪文.張志勇.傳感器原理及應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.