电阻传感器课程设计--电阻式传感器应用电路设计.doc

传感器原理课程设计 课 程 设 计课 程 传感器课程设计 题 目 电阻式传感器应用电路设计 院 系 机电工程系 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学生学号 080601240126 指导教师 2011年 7 月 15日任务书课程 传感器课程设计题目 电阻式传感器应用电路设计专业 测控技术与仪器 姓名 学号 080601240126主要内容：电阻在压力的作用下发生形变，然后电阻应变计将变形转换为电阻值的变化，可以将压力通过数显表显示出来。从而显示物体的质量。基本要求：用若干电子器件组成一个可控电路，使外界因素改变时，电路随之发生相应的改变，从而达到设计电路的目的。主要参考资料：1 闻邦椿.机械设计手册（5）.北京：机械工业出版社，2010.2 赵燕.传感器原理及应用.北京：北京大学出版社，2010.3 严钟豪，谭祖根.非电量电测技术.北京：机械工业出版社，1988.4 蒋敦斌，李文英.非电量测量与传感器应用.北京：国防工业出版社，2005.完成期限 2011.6.272011.7.1 指导教师 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。鉴于此，本次课程设计力图通过对常用传感器的设计运用使我们加深对传感器的认识和理解并逐步使课本上学习到的理论知识转化为实际生产力，以培养我们学以致用的求学品质。目 录自动干手器的设计1一、设计要求1二、设计方案及其特点1三、传感器工作原理3四、自动干手器电路图3五、自动干手器的参数选择6六、总结86一、设计要求1、功能与用途电阻应变式传感以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。2、课题意义及产品发展现状本世纪初，称重传感器的设计水平、可靠性和产业化程度迅速提升。在这个电子衡器产品竞争日趋激烈、称重传感器市场日趋国际化的新形势下，我国的企业要想打入国际市场、参与国际竞争，就应使产品本身具有国际一流的质量，特别是应具有适合国际市场需求的计量管理能力。从这个意义上讲，产品取得了国际法制计量组织的oiml证书，就相当于拿到了进入国际市场的准人证。二、设计方案及其特点设一根电阻丝，电阻率为，长度为,截面积为s，在未受力时的电阻值为 r= - 如图二所示，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= -对于半径r为的电阻丝，截面面积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 -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= - 从可以明显看出，电阻丝灵敏系数由两部分组成：受力后由材料的几何尺寸受力引起；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=1.73.6。可写成= -三、传感器工作原理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改为质量即可实现对物品质量的称重。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，移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。原理框图如图一所示。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）压力低通滤波图一 原理框图四、电阻应变式质量传感器电路图图二 原理电路图五、电阻应变式质量传感器的参数选择1、总体描述电阻应变片（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。2、元器件选择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=1.8k。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信号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=1.008k。3、元器件清单表1 元器件清单编号名称型号数量q1场效应管2n33701u1a集成电路ac620ad1u2a集成电路lm329ad1u3a,u4a,u5a集成电路lm324ad3r1，r2，r3,r4电阻1204r5滑动变阻器1.8k1r6电阻1.008k1r7，r8，r9，r10电阻1k4r11电阻501r12滑动变阻器5001r13电阻10k1r14电阻5001u0交流电源7v,5khz1vcc正电源输入5v5vee负电源输入-5v5六、总结过这次课设，我进一步体会到了工具的重要性，这包括软件操作工具书等方面。因为我们不可能学富五车，因而就有必要翻阅文献资料，如设计用到的相关书籍，标准手册等等。同时，具备较好的计算机水平也会给我们带来巨大的益处，比如数学公式的编辑，图形的绘制等等。但反过来说，通过这样的课程设计，也会加深我们对工具的了解和形成对其客观的认识，我想这对我们以后在工作和生活中有比较好的视野和思维是有巨大帮扶作用的。 总之，本次课设不仅加强了我对传感器的认识，更重要的是，它让我掌握了做设计应有的环节与步骤，也使我懂得了如何去结合理论知识分析解决现实问题，同时也让我学到了很多以前没有接触到的知识和相关计算机方面的操作。参考文献1 闻邦椿.机械设计手册（5）.北京：机械工业出版社，2010.2 赵燕.传感器原理及应用.北京：北京大学出版社，2010.3 严钟豪，谭祖根.非电量电测技术.北京：机械工业出版社，1988.4 蒋敦斌，李文英.非电量测