电阻应变式拉力传感器及转换电路设计

1、课 程 设 计 课程名称 传感器设计与实践 题目名称 电阻应变式拉力传感器及转换电路设计 广东工业大学课程设计任务书“传感器设计与实践”之一一、课程设计的内容通过“传感器设计与实践”课程设计，掌握传感器设计的一般过程与步骤。具体内容包括：了解拉力测量的一般方法；制定利用应变式传感器测量拉力的方案；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：2×1035×104

2、 N； 称量精度：±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、了解拉力测量的一般方法，制定利用应变式传感器测量拉力的方案； 2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸； 3、应变式拉力传感器结构设计；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1-3081月12日2工学1-1071月1314日3工学1-1071月1418日4工学1-1071月18日5工学1-1071月1821日6工学1-1071月21日7工学1-10

3、71月2122日8工学1-1071月23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：2015年1月12日 指导教师签名： 陈益民、黎勉、查晓春计划完成日期： 2015年1月23日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：

4、1. 目录：2. 绪 论减62.1.相关背景减62.2.设计概述减73.设计的目的和意义减83.1.设计目的减83.2.设计意义减84.测量原理及其特点减84.1.测量的原理减84.2.测量特点减105.传感器结构设计减105.1.几种传感器的比较及选定减105.2.弹性元件材料的选定及要求减145.3.应变片的比较及选定减165.4.应变片材料的选定及要求减175.5.联接结构的设计减195.6.壳体的设计减205.7.防尘的设计减206.相关理论分析计算和部件的设计减216.1.基本的理论分析减216.2.弹性元件的尺寸设计减226.3.应变片的计算减236.4.应变校验 减237.装配图

5、和零件图设计（见附录）减248.测控电路设计及计算减248.1.转换电路设计减248.2.电桥转换电路减248.3.放大电路和共模抑制电路减259.电路的调试与仿真减269.1.电路的仿真调试及分析减269.2.用MATLAB实现的输出特性曲线减3010.传感器的标定减3111.总结减32绪 论2.1. 相关背景2.2. 设计概述3. 设计的目的和意义3.1. 设计目的3.2. 设计意义4. 测量原理及其特点4.1. 测量的原理4.2. 测量特点5. 传感器结构设计5.1. 几种传感器的比较及选定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

6、大高好较复杂小 5.2. 弹性元件材料的选定及要求材料铍青铜QBe2174PH不锈钢恒弹性合金3J53密度g×cm-38.257.808.0屈服极限MPa103018501250弹性模量MPa134×103195×103G=70×103线膨胀系数at/×10-6-117.610.87.58.1泊松比0.320.2720.30机械品质因数-1000弹性模量温度系数35×10-5/-5.3. 应变片的比较及选定5.4. 应变片材料的选定及要求材料名称化学成分% 电阻率电阻温度系数/灵敏系数最高使用温度/特点康铜Cu55, Ni450.45

7、0.52±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Cr26 Al5.41.31.5±30402.6静态500800动态8001000用作高温应变片铂钨合金Pt90.591.5W8.59.50.740.7613919

8、2303.2静态800动态1000基底材料下限上限（长期工作）上限（短时工作）纸-20701005.5. 联接结构的设计5.6. 壳体的设计5.7. 防尘的设计6. 相关理论分析计算和部件的设计6.1. 基本的理论分析6.2. 弹性元件的尺寸设计6.3. 应变片的计算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6030000.650mm18mm2.002.1225mA-30-1506.4. 应变校验 7. S 装配图和零件图设计（见附录）8. 测控电路设计及计算8.1. 转换电路设计8.2. 电桥转换电路8.3. 放大电路和共模抑制电路9. 电路的调试与仿真9.1. 电路的仿真调试及分析

9、参数计算理论计算值实际测量值E(V)F（kN）R1R2R1(轴向）R2（径向）Uo(mV)U (V)Uo(mV）U(V)转换精度1200.0000.000120.000120.0000.00000.0000000.00%1250.061-0.017120.061119.9833.89320.39323.8830.3920.03%12100.122-0.033120.122119.9677.78640.78647.7830.7860.01%12150.184-0.050120.184119.95011.67951.179611.6731.1780.04%12200.245-0.067120.24

10、5119.93315.57271.572815.5611.5710.05%12250.306-0.083120.306119.91719.46591.966119.4481.9630.08%12300.367-0.100120.367119.90023.35912.359323.3332.3550.11%12350.428-0.117120.428119.88327.25222.752527.2172.7470.14%12400.490-0.133120.490119.86731.14543.145731.0993.1390.17%12450.551-0.150120.551119.85035

11、.03863.538934.983.5310.20%12500.612-0.167120.612119.83338.93183.932138.8783.9230.23%参数计算理想情况下的输出实际测量值E(V)F（kN）R1R2R1(轴向）R2（径向）Uo(mV)U (V)Uo(mV）U(V)转换精度1200.000 0.000 120.000 120.000 0.000 0.000 000.00%1250.061 -0.017 120.061 119.983 3.883 0.392 3.8990.3940.05%12100.122 -0.033 120.122 119.967 7.783 0

12、.786 7.7470.7830.08%12150.183 -0.050 120.183 119.950 11.673 1.178 11.6441.1770.03%12200.244 -0.066 120.244 119.934 15.561 1.571 15.4891.5650.15%12250.305 -0.083 120.305 119.917 19.448 1.963 19.3821.9590.10%12300.366 -0.100 120.366 119.900 23.333 2.355 23.2742.3520.08%12350.427 -0.116 120.427 119.884

13、 27.217 2.747 27.1152.740.18%12400.488 -0.133 120.488 119.867 31.099 3.139 31.0043.1330.15%12450.550 -0.149 120.550 119.851 34.980 3.531 34.8923.5260.13%12500.611 -0.166 120.611 119.834 23.860 3.923 38.7783.9190.10%参数计算理想情况下的输出实际测量值E(V)F（kN）R1R2R1(轴向）R2（径向）Uo(mV)U (V)Uo(mV）U(V)转换精度1200.000 0.000 120

14、.000 120.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00%1250.061 -0.017 120.061 119.983 3.883 0.392 3.899 0.393 0.03%12100.122 -0.033 120.122 119.967 7.783 0.786 7.747 0.781 0.13%12150.183 -0.050 120.183 119.950 11.673 1.178 11.644 1.174 0.10%12200.244 -0.066 120.244 119.934 15.561 1.571 15.489 1.562 0.23%12250.3

15、05 -0.083 120.305 119.917 19.448 1.963 19.382 1.955 0.20%12300.366 -0.100 120.366 119.900 23.333 2.355 23.274 2.347 0.20%12350.427 -0.116 120.427 119.884 27.217 2.747 27.115 2.734 0.33%12400.488 -0.133 120.488 119.867 31.099 3.139 31.004 3.126 0.33%12450.550 -0.149 120.550 119.851 34.980 3.531 34.89

16、2 3.519 0.31%12500.611 -0.166 120.611 119.834 23.860 3.923 38.778 3.910 0.33%参数计算理想情况下的输出实际测量值E(V)F（kN）R1R2R1(轴向）R2（径向）Uo(mV)U (V)Uo(mV）U(V)转换精度1200.000 0.000 120.000 120.000 0.000 0.000 0.0000.0000.00%1250.061 -0.017 120.061 119.983 3.883 0.392 3.9020.3920.00%12100.123 -0.033 120.123 119.967 7.783

17、0.786 7.8030.7870.03%12150.184 -0.050 120.184 119.950 11.673 1.178 11.7021.180.05%12200.245 -0.067 120.245 119.933 15.561 1.571 15.61.5730.05%12250.307 -0.083 120.307 119.917 19.448 1.963 19.4971.9660.08%12300.368 -0.100 120.368 119.900 23.333 2.355 23.3912.3590.10%12350.430 -0.117 120.430 119.883 2

18、7.217 2.747 27.2852.7510.10%12400.491 -0.134 120.491 119.866 31.099 3.139 31.1773.1440.13%12450.552 -0.150 120.552 119.850 34.980 3.531 35.0683.5360.13%12500.614 -0.167 120.614 119.833 38.878 3.923 38.9573.9280.13%参数计算理想情况下的输出实际测量值E(V)F（kN）R1R2R1(轴向）R2（径向）Uo(mV)U (V)Uo(mV）U(V)转换精度1200.000 0.000 120.000 120.000 0.000 0.000 0.0000.0000.00%1250.061 -0.017 120.061 119.983 3.883 0.392 3.9020.3940.05%12100.123 -0.033 120.123 119.967 7.783 0.786 7.8030.7890.08%12150.184 -0.050 120.184 119.950 11.673 1.178 1