电阻应变式压力传感器课程设计说明书

1、燕山大学里仁学院测控电路课程设计说明书摘要传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。 现代测量、控制与自动化技术的飞速 发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。 同时 我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛， 可以说它已成为了测试测 量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重 大意义的。0燕山大学里仁学院测控电路课程设计说明书目录摘要 1第一章功能和意义2第二章传感器原理32.1 原理框图32.2 应变片检测原理42.3 弹性元件的选择和设计 42.4 应变片的选择及设计

2、5第三章电路设计 63.1 电源设计63.2 交流电桥设计 73.3 放大电路设计83.4 相敏检波电路设计93.5 滤波器设计10第四章结论11第五章误差分析11第六章参考文献11第七章心得体会121燕山大学里仁学院测控电路课程设计说明书一.功能和意义信息技术已经成为当今全球性的战略技术，作为各种信息的感知，采集，转换，传输和处理功能器件传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测，自 动控制系统中不可缺少的核心部件，传感器技术正深刻影响着国民经济和国防建 设的各个领域。电阻应变式传感器为本课程设计的主要部件， 传感器中的弹性元件感受物体 的重力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测

3、量原理得到一定大小 的输出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型， 在显示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。信号放大电路是为了将微弱的传感器信号， 放大到足以进行各种转换处理或 驱动指示器，记录器以及各种控制机构。本次课程设计所测质量范围是 0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理 为与之对应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏 检波电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。2燕山大学里仁学院测控电路课程设计说明书传感器原理1. 原理框图（质量）压力I电阻应变片y 交流电桥放大器数显表头低通滤波相敏检波图一原理框

4、图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 匚长度为1,截面积为S,在未受力时的电阻值为- - S图二金属丝伸长后几何尺寸变化如图二所示，电阻丝在拉力F作用下，长度I增加，截面S减少，电阻率'也相 应变化，将引起电阻变化 R,其值为空仝+三RISE对于半径r为的电阻丝，截面面积 S= r2，则有s s=2 r r。令电阻丝的 轴向应变为；二1 1，径向应变为r r

5、二一"丄“二；，；由材料力学可知， 为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得R = (1+2 : - 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，其表达式为空珂1 2J丄K =-:从可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何 尺寸的受力引起(1 V)；由材料电阻率变化引起的("厂广1。对于金属丝材 料，("')厂1项的值比(1 2，)小很多，可以忽略，故K 1。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=1.73.6。可写成R = K ;-R3. 弹性元件的选择及设计本次课设对质量的检

6、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同时本次课设选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如图三所示Ebh式中： ；距自由端为10处的应变值；l 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 l =20mm, l o=14mm,b=1Omm,h=3mm36FI06如00如4如0现校核如下：-=2 =w 毛 Mpa=93.3Mpa << 1000Mpa

7、9;bh1010 沃9如0因此，选取是合理的。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，所以非常适合本次课设的应用。选择4片箔式应变片(BX120-02AA 阻值为120Q，其基底尺寸是2.2.4 (mmmm )。同时敏感珊的材料选择铂 因为其灵敏系数达Ks=4.6。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10处，R1和R4粘贴在梁的上方承受正应变，R2和 R3则与之对应粘贴在下方承受负应变。粘贴剂选择环氧树脂粘贴剂。基底

8、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。最后在安装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:6FloEbh26"00汇14汉10-3211 109 10 10-3 9 10-6=4.4 10-4< 15 10（课设条件要求）因此是符合的。且交流电桥的最大输出输入比为:十北十子44 10-4 A"2%二.电路设计1. 电源的设计交流稳压电路如图四所示，IGBT管与其周围的四只整流二极管构成双向开 关由PWM脉冲进行斩控调压，LC为高次滤波器滤除高次谐波，补偿

9、变压器与 电网电压串联为负载提供稳定的交流电压。2. 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。桥路图如图四所示。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。桥路接法如图四所示，R5和C2即是实现调零用的，取C2=1uF R5=1.8kQ。Ad电桥输出为U。二UKs ；二5R3. 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放大器 来达到净化信号电压和充分节约成本和

10、制造的空间的目的。R1331 QR3331 Q* L1电路图如图五所示。R4U30PAMP_3T_VIRTUAL331 QR5JWV331 Q图五放大电路如图所示，采用三运放高共模抑制比放大电路，它由三个集成运算放大器组成， 其中N1,N2为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差 动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1, N2的共模信号，并适应接地负载的需要。其差模增益为 Uo2Uo1 ,丄 R1 + R2 Kd1-Ui2-Ui1Ro调节Ro可以改变增益而不影响电路的对称性。当N1 N2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益与差模输入电压有关，

11、而其共模输出，失调及漂移均在Ro相互抵消，因此电路具有良好共模抑制能力， 同时不要求外部电阻匹配，但为了消除N1 N2偏置电流等的影响，通常取R仁R2。 另外这种电路具有增益调节能力，其共模抑制比为CMRRQMRR2CMRR1 -CMRR2CMRR124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。电路图如图八所示。图八精密整流型相敏检波电路为了使检波电路具有判别信号相位和选频的能力，需采用相敏检波电路。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了需要解调的调幅信号外，还要 输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的

12、相位和频率。参 考信号应与所需解调信号有相同的频率，采用载波信号或由它获得的信号作为参 考信号就能满足这一条件。在图八的精密整流型相敏检波电路中，接到N1的输出端的是两个由参考信 号Uc控制的开关器件V1，V2。在Uc为正的半周期，V1截止，V2导通，N1 用作反相放大器，Ua为Us的反相信号，在Uc为负的半周期，V1导通，V2截 止，N1的输出Ua为零。这样，Ua的波形为一半波整流信号。取 R1=R2，N2 对Ua的放大倍数比对Us的放大倍数大一倍。在不接电容 C情况下N2的输出 Uo波形为全波整流信号。在 Uc为正的半周期Ua为负，输出Uo为正的全波检 波信号，在Uc与Us反相时，在Uc为

13、正的半周期Ua为正，输出Uo为负的全 波检波信号，实现相敏检波。5. 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信号，所以需将其滤掉，又因为相敏检波后输出的电压与原信号差一个负号，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信号的直流输出。低通滤波器截止频率设为40H Z。电路图如图九所示。U5°ut（接表头显示）若取R10=1kQ，则由2；=R10C1=40HZ可解得3= 4uF,另外取R9=50Q，则此环节实现的放大倍数是-空=-20，则实现了放大倍数的另一级分配，也还原了R9原始信号的相位。所以至此，就实现了原始信号的测量处理，即能够通过将质量为0-1

14、0kg（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。四结论本次课程设计的压力传感器，通过交流稳压电源，电桥电路，三运放高共模 抑制比放大电路，精密整流型相敏检波电路，低通滤波器，能将压力信号转换为 电信号进行观测，实现对压力的测量。本次课程设计所测质量范围是 0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理 为与之对应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏 检波电路，低

15、通滤波电路。五.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2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，本次课设中的误差还是比较好地得到了控制。六 .参考文献测控电路第四版张国雄传感器第四版唐文彦新编传感器设计守册赵宝贵传感器技术及应用实例张君华传感器技术及应用樊尚春心得体会测控电路作为我们的主要专业课之一，在这次课程设计中我发现自己在一点 一滴的努力中对电路设计的兴趣也在逐渐增加。作为一名检测专业的大三学生，我觉得做测控电路课程设计是十分有意义 的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。 我们在课堂上掌握的仅仅