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摘要应变式容器内液体重量传感器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,其需求量日趋增加本文介绍利用应变片传感器电阻应变片将应变转换为电阻变化的原理和其测量灵敏度较高的特点设计一个应变式容器内液体重量传感器,感压膜感受上面液体的压力当容器中溶液增多时,感压膜感受的压力就增大电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系,因此可以测量容器内液体重量关键词应变片传感器;灵敏度;电桥;线性关系目录TOC\o1-2\h\u
一、设计要求
11、电阻应变片概况
12、设计目的1
二、设计方案及其特点1
三、传感器工作原理3
四、应变式容器内液体重量传感器结构图和电路图4
五、电路工作原理分析和器件选择
51、工作原理分析
52、器件选择清单6
六、总结6参考文献7应变式容器内液体重量传感器的设计
一、设计要求
1、电阻应变片概况应变式物体在外部压力货拉伸作用下发生形变的现象当外力去除后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形态的应变称为弹性应变应变片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,应变传感器工作时引起是电阻值的变化甚小,但其测量灵敏度较高它在力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量中得到了广泛的应用
2、设计目的利用电阻应变片制成测量重量的传感器,用于测量容器内的液体重量
二、设计方案及其特点针对目前电阻应变片的测量电路中直流电桥的平衡条件,电压灵敏度和非线性误差及其补偿方法的特性对应变式容器内液体重量传感器的设计可以分为下面两种不同的设计方案
1、方案一直接利用直流电桥的基本形式如图1所示R,R,R,R为桥臂,R为负载图1直流电桥在实际测量中,使第一桥臂R由应变片来替代,微小应变引起微小电阻的变化当受应变时,若应变片电阻变化为R,其他桥臂固定不变,则电桥输出电压U0由公式可得:电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系,因此可以测量容器内储存的溶液重量
2、方案二采用差动电桥,根据被测试件的受力情况,若使一个应变片受拉,一个受压,则应变符号相反;测试时,将两个银边片接入电桥的相邻臂上,如图2所示图2差动电桥该电桥输出电压为若则得通过方案比较,由于方案二的差动电桥无非线性误差而且电压灵敏度为S=(1/2)E,比使用方案一提高了一倍,同时可以起到温度补偿的作用,故选用方案
二三、传感器工作原理本设计采用的是应变式电阻传感器,电阻式应变片是一种能将试件上的应变变化转换为电阻变化的传感元件以金属丝电阻应变片为例介绍其工作原理用一根具有高电阻系数的金属丝如康铜或镍铬合金等,直径d=
0.025mm绕成栅形,枯贴在绝缘的基片和授盖层之间,由引出导线接于电路上当金属丝电阻应变片在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,此现象称之为电阻应变效应在测量时,将应变片用猫结剂牢固地粘结在被测试件的表面上,随着试件受力变形,应变片的敏感栅也获得同样的变形,从而使其电阻随之发生变化,此电阻变化是与试件应变成比例的,这样就可以反映出外界作用力的大小敏感栅是应变片的核心部分,它枯贴在绝缘的基片上,其上再枯贴起保护作用的覆盖层.两端焊接引出导线金属电限应变片的敏感栅有丝式、梢式和薄膜式三种箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属梢栅.其厚度一般在
0.003-
0.01mm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,便于批最生产薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘片上形成
0.1pm以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层它的优点是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范朋广半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是4于半导体材料的压阻效应所谓压阻效应是指半导体材料在某一轴受外力作用时,其电限率发生变化的现象.半导体应变片突出的优点是灵敏度高.比金属丝式高50-80倍,尺寸小,但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点目前,一般多采用箔式应变片以金属电阻丝为例来讨论应变片的应变效应,如图3所示图3金属电阻丝应变效应导体的电阻值可以用下式计算:当此电阻丝两端受拉以后,其尺寸将发生变化,长度伸长而横截面将减小,一般P值也发生变化,对公式4进行微分得其相对变化量为
四、应变式容器内液体重量传感器结构图和电路图图4结构图图5接线原理图
五、电路工作原理分析和器件选择
1、工作原理分析图2为两个传感器半桥差动电桥接成的正向串接的双电桥差动电路图1应变片容量内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力当容器中溶液增多时,感压膜感受的压力就增大将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路,此时输出电压为式中,KK为传感器的传输参数p为液体密度h为位于感压膜上方的液体高度pgh表征了感压膜上方液体的重量Q表示感压膜上方液体的重量A表示柱形容器的截面积结论电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系,因此可以测量容器内储存的溶液重量
2、器件选择清单表1元器件清单编号元器件类型元器件规格数量R0电阻1202RL电阻20002R1电阻10002R2电阻10002R3电阻10002R4电阻10002R电阻1003Rf电阻10001运放OP07放大倍数为101
六、总结本课程设计是利用两个传感器半桥差动电桥接成的正向串接的双电桥差动电路设计出一个应变式容器内液体重量传感器充分利用了应变式传感器分辨力高、误差较小、测量范围大等特点并采用了差动电桥电路使其无非线性误差,提高灵敏度,同时可以起到温度补偿的作用由此可测出比较精确的容器内液体重量通过这一星期对应变式容器内液体重量传感器的研究设计,了解了电阻式应变传感器元件的特性,通过自己来设计实验,激发了学习兴趣亲自动手操作,观察实验现象,增加了理论学习的趣味性,能亲身感受到传感器的作用另外使我对传感器的基本概况有了充分的理解与掌握我还查阅了参考资料,加深了对电阻式传感器的原理的理解以及在实际生活中的广泛应用因此,通过这次实验的设计,对今后在传感器这一领域有更深的认识同时也锻炼了动手能力,独立思考解决问题的方法,使我从本质上对传感器有了全新的认识,有利于以后的学习研究参考文献
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