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文本内容:
传感器与检测技术电阻应变式压力传感器的设计学院信息技术学院指导老师蔡杰班级B1106姓名张佳林学号0915110629目录TOC\o1-3\h\z\u
一、设计任务分析2
二、方案设计
22.1原理简述
22.2应变片检测原理
32.3弹性元件的选择及设计
42.4应变片的选择及设计5
三、单元电路的设计
63.1电桥电路的设计
63.2放大电路的设计
63.3移相器的设计
73.4过零比较器的设计
83.5相敏检波电路的设计
93.6低通滤波器的设计9
四、误差分析10
五、心得体会10
六、致谢11电阻应变式压力传感器的设计
1.;
二、方案设计原理框图如图一所示
2.2应变片检测原理电阻应变片(金属丝、箔式或半导体应变片)粘贴在测量压力的弹性元件表面上,当被测压力变化时,弹性元件内部应力变形,这个变形应力使应变片的电阻产生变形,根据所测电阻变化的大小来测量未知压力,也实现本次设计未知质量的检测设一根电阻丝,电阻率为,长度为截__为S,在未受力时的电阻值为R=-----
①图一金属丝伸长后几何尺寸变化如图一所示,电阻丝在拉力F作用下,长度增加,截面S减少,电阻率也相应变化,将引起电阻变化△R,其值为=—+----
②对于半径r为的电阻丝,截面__S=,则有=令电阻丝的轴向应变为,径向应变为-,由材料力学可知,为电阻丝材料的泊松系数,经整理可得=(1+2----
③通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数,其表达式为=----
④从
④可以明显看出,电阻丝灵敏系数由两部分组成受力后由材料的几何尺受力引起;由材料电阻率变化引起的对于金属丝材料,项的值比小很多,可以忽略,故大量实验证明在电阻丝拉伸比例极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即为常数通常金属丝的=
1.7~
3.6
④可写成=----
⑤
2.3弹性元件的选择及设计本次设计对质量的检测是通过对压力的检测实现的,所以弹性元件承受物重也即压力,这就要求弹性元件具有较好的韧性、强度及抗疲劳性,通过查设计手册,决定选取合金结构钢30CrMnSiNi2A,其抗拉应力是1700Mpa,屈服强度是1000Mpa,弹性模量是211Gpa同时本次设计选取弹性元件的形式为等截面梁,其示意图如图二所示图二等截面梁作用力F与某一位置处的应变关系可按下式计算式中——距自由端为处的应变值;——梁的长度;E——梁的材料弹性模量;b——梁的宽度;h——梁的厚度通过设计,选取=20mm=14mmb=10mmh=3mm现校核如下因此,选取是合理的
2.4应变片的选择及设计从理论学习中知道,箔式应变片具有敏感栅薄而宽,粘贴性能好,传递应变性能好;散热性好,敏感栅弯头横向效应可以忽略;蠕变,机械滞后小,疲劳寿命长等优点,所以非常适合本次设计的应用选择4片箔式应变片(BX120-02AA)阻值为120Ω,其基底尺寸是()同时敏感珊的材料选择铂因为其灵敏系数达,且其最高工作温度可以达800多摄氏度,栅长做到
0.5mm应变片粘贴在距自由端处,R1和R4粘贴在梁的上方承受正应变,R2和R3则与之对应粘贴在__承受负应变粘贴剂选择环氧树脂粘贴剂基底材料选择胶基,厚度为
0.03mm-
0.05mm引线材料采用直径为
0.15-
0.18mm的铬镍金属丝引线最后在__后的应变片和引线上涂上中性凡士林油做防护作用,以保证应变片工作性能稳定可靠这样最大应变为因此是符合的且交流电桥的最大输出输入比为
三、单元电路的设计
3.1电桥电路的设计为了实现对应变片的温度补偿,因此选择全桥电路作为测量电路,将4片应变片接入电桥桥路图如图三所示其次,考虑到连线导线分布电容的影响及交流电桥的初始平衡性问题(无称重时电桥输出应为零),应在桥路中采取调零电路桥路接法如图三所示,R5和C2即是实现调零用的,取C2=1uF,R5=
1.8kΩ电桥输出为交流电源频率选择为5KHZ现使桥路最大输出为10mV,则电压幅值为图三交流电桥
3.2放大电路的设计由于传感器输出的电压比较小,因此需对其进行放大使之满足后续电路的处理要求鉴于传感器输出可能杂有共模电压,为此,选取具有高共模抑制比的AD620作为放大器来达到净化__电压和充分节约成本和制造的空间的目的电路图如图四所示图四放大电路其放大增益为为了将10mV的电压放大到10V,需要放大1000倍,为此选择分配级为这里放大50倍,因此解得R4=
1.008kΩ
3.3移相器的设计因为电桥电路输出的电压对载波__有一定的超前角,一般为几度到几十度,因此在把载波__作为相敏检波的参考电压前需对其进行一定的移相处理图五为0-90°的移相电路图五移相电路若设R12调节后的有效电阻为R,则移相的推导为因为的数量级为,所以可以取C3=100uF这样R(R12)可以设定在500Ω范围,即实现相角在0-90°__上式中,所以移相电路不改变幅值
3.4过零比较器的设计在进行相敏检波时,我们更希望参考电压整形为方波,这样便于比较,因此设置一个过零比较器LM339实现这一功能电路图如图六所示图六过零比较器
3.5相敏检波电路的设计由于采用的交流电压不能实现对压力方向的判别,所以要利用相敏检波的鉴相特性达到这一目的电路图如图七所示图七相敏检波电路从图示知道,用JFET做开关器件,当>0时,其导通,U4A正极为0电位,__从负极输入,放大倍数为,此时>0;当<0时,JFET截止,__从正极输入,放大倍数为1,此时<0因此,相敏检波实现了__的判别,只是与原__相差一个负号
3.6低通滤波器的设计由于经过相敏检波后的电压还混有高频载波__,所以需将其滤掉,又因为相敏检波后输出的电压与原__差一个负号,所以选择反相一阶有源低通滤波器,这样就可以得到真正反映原__的直流输出低通滤波器截止频率设为40HZ电路图如图八所示图八低通滤波电路若取R10=1kΩ,则由可解得C1=4uF,另外取R9=50Ω,则此环节实现的放大倍数是,则实现了放大倍数的另一级分配,也还原了原始__的相位所以至此,就实现了原始__的测量处理,即能够通过将质量为0-10kg(也即压力为0-100N)的物体作用于弹性元件(等截面梁)并通过应变片使其电阻发生变化进而使后续相关电路产生对应的0-10V的电压实现对物体的称重,也即1kg物体对应1V的电压将低通滤波后产生的直流电压接入数显表头就可直观地看出物体质量的大小
四、误差分析误差的形成主要来源于温度误差,造成温度误差的原因主要有以下两个
1、敏感栅电阻随温度变化引起误差
2、试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同,使应变丝产生附加拉长或压缩,引起电阻变化这样的温度误差可以通过桥路进行补偿,如本设计中的全桥电路就很好地实现了温度的补偿其次,电桥还具有非线性误差,由于对金属丝电阻应变片,电桥非线性误可以忽略,所以也不影响本次设计最后,对于如同工频等的干扰,我们尽量通过电路的优化除去干扰,如通过高共模抑制比仪放以及低通滤波器进行改进因此,从理论上说,本次设计中的误差还是比较好地得到了控制
五、心得体会我认为,在这学期的传感器学习和实验中,不仅培养了__思考、动手操作的能力,在各种其它能力上也都有了提高更重要的是,在实验课上,我们学会了很多学习的方法而这是日后最实用的,真的是受益匪浅要面对社会的挑战,只有不断的学习、实践,再学习、再实践这对于我们的将来也有很大的帮助以后,不管有多苦,我想我们都能变苦为乐,找寻有趣的事情,发现其中珍贵的事情就像中国提倡的艰苦奋斗一样,我们都可以在实验结束之后变的更加成熟,会面对需要面对的事情
六、致谢很高兴这一年和蔡老师的相处我们不仅是师生,更成为了生活中的朋友在这次设计中,离不开同学们的互相协助没有讨论,就不会一次次得出正确的结果更是离不开您的帮助与指导我喜欢这门课、喜欢硬件设计、所以喜欢钻研这一类的东西在我遇到不懂的时候是您耐心细致的给我指导帮我度过这个困难关在你的教学中,我从中学到的不仅是知识,也感到了娱乐性,在快乐中学习谢谢您的悉心教导、认真细致、和对我的高要求,正是严师出高徒也谢谢在座各位同学的帮助数显表头过零比较器相敏检波移相器放大器5KHZ交流交流电桥电阻应变片(质量)压力低通滤波。