2.说明书-装载机智能称重仪设计

欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 四四 川川 理理 工工 学学 院院 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 说文 说 明明 书书 题 目 装 载 机 智 能 称 重 仪 设 计 学 生 管 仕 锐 系 别 机电工程系 专 业 班 级 机械设计制造及其自动化机电 03 1 学 号 030110307 指 导 教 师 孙 祥 国 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 四四 川川 理理 工工 学学 院院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 设计 论文 题目 装装 载载 机机 智智 能能 称称 重重 仪仪 设设 计计 系 机 电 专业 机械设计制造及其自动化 班级 031 学号 0130110307 学生 管 仕 锐 指导教师 孙 详 国 接受任务时间 2007 3 5 教研室主任 签名 系主任 签名 1 毕业设计 论文 的主要内容及基本要求 1 总体方案设计 2 称重传感器设计 3 电源电路 4 传感器信号放大电路 5 A D 转换电路 6 单片机系统 7 自动控制定高测量系统 2 指定查阅的主要参考文献及说明 MCS 51 系列单片机实用接口技术 电阻应变式传感器应用技 传感器与信号处 电路基础 传感器技术手册 3 进度安排 设计 论文 各阶段名称起 止 日 期 1查阅和搜集设计资料 制定设计方案3 5 4 1 2传感器 控制电路等的设计4 2 4 25 3计算机绘图4 26 5 10 4撰写设计说明书5 11 6 5 5检查6 6 6 24 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 I 摘摘 要要 随着称重技术的不断发展 人们对称重的测量精度和自动化程度提出了越来越高的 要求 传统的机械式称重仪 不仅称重过程复杂 不能够保证精度 而且不具有自动 去皮 累加和超载报警等功能 设计为智能型称重仪 与装载机设备配合使用 可以防 止装载机装车时引起货车超载造成铁路行车事故发生 同时防止亏吨 确保客户的满 意 它主要用于当装载机为铁路货车装载散堆料时 能自动显示每斗净重 同时累加 重量 并且装满报警 保证货车车皮不超载 不亏吨 在设计的过程中 在保证仪器精度 稳定性和可靠性的前提下 尽量使仪器具有 简单的结构 按此原则 设计采用模块化设计思路 将整个仪器分为压力传感器 电 源电路 信号调理及放大电路 A D 转换 显示电路 单片机系统 几个部分进行分析 和设计 关键词关键词 单片机 传感器 放大电路 A D 转换电路 A B S T R C T II ABSTRCT Along with weigh technical development continuously people put forward higher request for the Gravimetric measure precision and automation degrees The traditional mechanical Gravimetric apparatus not only is complex process of weighing and can t guarantee precision but also don t have automatic peel off accumulate and over loading alarm function and so on The design is intelligent Gravimetric apparatus cooperating with loader equipment can prevent loader from causing railway accident when loading and also can prevent losing one ton of satisfaction to guarantee the customer at the same time It is mainly used for automatic displaying net weight of each shovel accumulating weight at the same time and also full filling alarming so it finally guarantee the railway wagon of not overloading and losing one ton During the process of designing on the premise of guaranteeing the precision stability and dependability we must make the instrument have simple structure According to this principle we adopt the module mentality of designing dividing the whole instrument into the following several parts to analyze and design pressure transducer the circuitry of power circuitry of signal adjusted and amplified A D transforms circuitry display circuitry SCMC system and height control system Keywords SCM Transducers Magnify Circuitry A D Transform Circuitry 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 III 目目 录录 中文摘要中文摘要 I 英文摘要英文摘要 II 第一章第一章 绪论绪论 1 1 11 1 问题的提出问题的提出 1 1 21 2 设计目的以及功能要求设计目的以及功能要求 1 1 31 3 传感器的重要性及国内外的发展趋势传感器的重要性及国内外的发展趋势 2 1 41 4 本文的主要内容和意义本文的主要内容和意义 3 第二章第二章 总体方案设计总体方案设计 4 2 22 2 称重测量原理称重测量原理 4 2 32 3 总体方案的确定总体方案的确定 5 第三章第三章 称重传感器设计称重传感器设计 7 3 13 1 传感器概述传感器概述 7 3 1 1 传感器定义及其组成 7 3 1 3 对传感器的要求 8 3 23 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 9 3 2 1 弹性敏感元件 9 3 2 2 电阻应变片的结构和分类 13 3 2 3 电阻应变式传感器的工作原理 14 3 2 4 电阻应变片的变换电路 16 3 2 5 压力传感器测量电路 20 3 33 3 称重传感器设计称重传感器设计 20 3 3 1 概述 20 3 3 2 基本原理及结构计算 21 第四章第四章 电源电路电源电路 25 4 14 1 基本稳压电路基本稳压电路 25 4 24 2 集成稳压元器件的选择集成稳压元器件的选择 26 4 34 3 稳压电路的设计稳压电路的设计 28 第五章第五章 传感器信号放大电路传感器信号放大电路 30 5 15 1 前置放大器与传感器的配接特点前置放大器与传感器的配接特点 30 5 25 2 差动放大器的基本原理差动放大器的基本原理 31 5 2 1分析推导输出与输入基本关系的依据 31 5 2 2 差动输入放大电路闭环放大倍数的计算 32 5 35 3 差动输入比例放大器的误差分析差动输入比例放大器的误差分析 33 5 45 4 实实际际放放大大电电路路的的设设计计 33 5 4 1 信号放大器的选择 33 5 4 2 集成运算放大器的应用及主要特性参数 35 5 4 3 电路结构 37 第六章第六章 A DA D 转换电路转换电路 39 6 16 1 A DA D 转换电路的选择转换电路的选择 39 6 1 1 A D 转换电路的主要参数 39 6 1 2 双积分 A D 转换电路的工作原理 39 目 录 IV 6 26 2 A DA D 转换芯片的选择转换芯片的选择 41 6 2 1 四位半双积分型 A D 转换器 ICL7135 41 6 2 2 ICL7135 的输出时序 43 6 2 3 积分电阻 电容的参数选择 44 6 2 4 内部结构及转换原理 44 第七章第七章 单片机系统单片机系统 45 7 17 1 MCS 51MCS 51 系列单片机的结构系列单片机的结构 45 7 1 1 MCS 51 单片机的基本组成 45 7 1 2 MCS 51 系列 46 7 1 3 8051 单片机的内部结构 46 7 27 2 80518051 单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能 47 7 37 3 MCS 51MCS 51 系列单片机接口设计系列单片机接口设计 48 7 3 1 A D 转换器与 MCS 51 单片机的接口设计 49 7 3 2 由 8155 构成的显示器接口电路 50 7 3 3 打印机和 MCS 51 单片机的接口设计 50 第八章第八章 自动控制定高测量系统自动控制定高测量系统 52 8 1 工作原理 52 第九章第九章 结论结论 54 参参 考考 文文 献献 56 致致 谢谢 57 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 1 第一章第一章 绪论绪论 装载机智能型称重仪是为了防止装载机装车时引起货车超载造成铁路行车事故发 生 同时防止亏吨 确保客户满意的一种具有智能功能的称重装置 1 1 问题的提出 在当今现代化的社会里 各种测量仪表都向着智能化 记录化 多功能数字化的 方向发展 随着称重技术的不断发展 人们对称重的测量精度和自动化程度也提出了越 来越高的要求 称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表 而且作为工业控制系统和商业管理系 统的一个组成部分 推进了工业生产的自动化和管理的现代化 它起到了缩短作业时 间 改善操作条件 降低能源和材料的消耗 提高产品质量以及加强企业管理等多方 面的作用 称重装置的应用已遍及到国民经济各领域 取得了显著的经济效益 纵观我国装载机的称重装置发展过程 经历了从最初的指针式到当今的多功能数 字显示历时八年的研究过程 由于传统的机械式称重仪存在很多的弊端 在当今飞速 发展的经济形式下 已越来越不能满足工程实际中对称重的要求 在这种情况下 智 能型的称重装置应运而生 1 2 设计目的以及功能要求 论文就是要设计一种智能称重仪 以防止装载机装车时引起货车超载造成铁路行 车事故发生 同时也为了防止亏吨确保客户的满意 它主要用于当装载机为铁路货车 装载散堆料时 能自动显示每斗净重 同时累加重量 并且装满报警 保证货车车皮 不超载 不亏吨 它与目前国内使用的指针式称重装置比较 增加了能自动去皮 累 加 报警和打印功能 并且具有较高的精度 和传统的机械式称重装置相比较 要求其具有以下的优点 1 装载机智能型称重仪主要用于当装载机为铁路货车装载散堆料时 在不间断作 业的情况下 能自动准确的测算出装载过程中所载物料的重量 以确保货车车 皮不超载 不亏吨 2 该装置能自动测算每斗净重 并且具有自动余料去皮 单斗显示 累加显示 限载提示 超载报警和打印输出等功能 3 该装置具有不同吨位开关和软件 满足不同铁路货车 有 50T 60T 61T 63T 四种车型 的不同额定吨位要求 4 该装置具有称零头开关 在装到车厢额定吨位差 5 左右时报警 最后一斗补 满额定吨位差值 确保车厢货物为额定值 第 一章 绪 论 2 5 该装置具有对因发动机转速升高或降低而引起液压系统油压波动造成测量精度 误差的修正功能 6 该装置具有较强的抗干扰能力 可在恶劣的环境中 20 40 稳定可靠 的工作 7 该装置具有较高的称重精度 误差控制在 2 范围内 8 该装置具有结构简单 技术先进 使用寿命长等特点 1 3 传感器的重要性及国内外的发展趋势 传感器的英文名是 Sensor 或 Transducer 什么叫 传感器 至今国际 国内尚无统一规定 在查阅了国内外资料后综合 各种叙述和定义 暂且给出如下定义 传感器是一个完整的测量装置 或系统 它 能在规定的条件下感受外界信息 并按一定规律转换成与之有确定对应关系的电信息 在传感器 放大器和记录仪器组成的测量系统中 传感器是核心部分 因为它是 与被测物直接接触的 它能不能真实的把被测物的受力状态感受且按恒定的关系反映 出来 在很大程度上决定着测试工作的好坏 经验说明 有些测量工作的失败 原因 很多 而传感器能否正常工作 往往是一个重要方面 90 年代后 我国将传感器的研究放在重要的位置上 尤其是高精度压力传感器 目前我国从事传感器生产的厂家有 1300 多家 所生产的产品种类仅有 300 余种 约为 传感器种类的 1 7 产量 1 亿多只 由于众多厂家规模较小 设备落后 国家投入的 资金不足且比较分散 因而与世界上大的传感器厂家相比 科研水平落后 5 10 年 而 生产水平要落后 10 20 年 与世界上传感器更新换代的速度相比 落后几个周期 从 而导致品种不全 产量过低 仅满足国内需求的 20 30 虽然我国传感器技术与发达国家相比比较落后 但并不是说我国的传感器的特性 都不如国外的好 综合近期发表的文献 国产半导体压力传感器的特性参数有所提高 但国产传感器目前还存在着性能不稳 指标不全 寿命不长 备件不齐 应用不广等 方面的差距 但这些差距普遍是由于基础工业落后引起的 国产传感器技术水平亟待 提高 国外发展传感器主要有两条不同的途径 一是以美国为代表的先军工后民用 先 提高后普及的高精尖路子 这种途径的主要特点是 能在较长时间里保持传感器技术 研究的世界领先地位 保持军事科学的领先水平 但资金投入巨大 经济回收比较慢 是不发达国家和发展中国家不可采用的方法 二是以日本为代表的先普及后提高 由 仿制到自行设计和创新的路子 这一途径的主要特点是 能把有效的资金投入到跟踪 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 3 国际先进技术上 少走弯路 并且能在较短时间里形成大规模生产 迅速占领市场 较快地收到经济效益 正是这样 日本的传感器技术发展很快 迅速进入世界前列 我国是一个发展中国家 资金短缺 要想尽快赶上世界先进水平 必须走日本的路子 世界传感器技术是向小型化 数字化 智能化 灵巧化和标准化的方向发展 我 国在传感器研究和产品开发方面与世界水平相比有较大的差距 目前我国正处于经济 腾飞的年代 对传感器的需求量越来越大 因而 需要更多的人投入到传感器的研究 中去 努力赶上世界先进水平 1 4 本文的主要内容和意义 论文的主要内容是以传感器为核心 并设计了多个实用电路和系统 如放大电路 A D 转换电路 数码显示电路 精密稳压电路 温度补偿电路 单片机系统 自动定高 系统等 最终组成一个智能称重装置 将该装置与装载机配合使用 用以为铁路货车 装载散堆料 以上的硬件电路和系统虽然是针对本称重装置设计的 但也适用于其他 一般的称重系统 具有较大的实用性 通过该设计 能够综合运用所学知识 将机械 和电子方面的知识联系起来 结合实际 使所学的知识得以很好的运用 第 二章 总 体 方 案 设 计 4 第二章 总体方案设计 2 1 工作原理 装载机智能型称重仪采用自动定高测量系统控制 以油压为介质 用电阻应变式 油压传感器采集相应的货物重量信息 再经单片微型计算机系统进行数据处理 将每 斗货物除皮后的重量及其累加重量在 LED 屏上显示出来 并具有打印 报警等功能 油压传感器安装在装载机分配阀后到举升油缸之间的油管中 在一定条件下 每 次称重斗都在一个指定高度 并在该高度停 2 秒钟 传感器所受油压力和装载机斗内 货物重量成正比 故传感器输出电信号也正比于斗内货物重量 传感器输出的电信号 经过阻容滤波和运算放大器放大之后 再经 A D 转换 通过光电耦合器送入单片机的 定时器通道 计算机进行数据处理 修正 去皮 累加 报警等 每斗净重显示 秒 后 进入总重量显示 总重量显示由吨位开关和称零头开关控制 这是为了满足铁路 货车皮有 50T 60T 61T 63T 四种车型的满吨位报警设置 最后一斗为了补满载重 吨位 可边倒出边称重 故设置了称零头开关 为了提高抗干扰能力采用了三级阻容 滤波和光电耦合技术 为了确保电源的稳定性采用了串联式多级稳压技术和逆变电源 技术 在电路中还设置了自动定高系统 从而满足装载机称重精度在国际标准 2 以内 2 2 称重测量原理 装载机智能型称重仪是通过测量举升臂油缸之液压油受载荷压力来测举升物的重 量的 装载机是一个四连杆多支点的力学机构 其影响起升臂油缸油压的因素很多 如举升物的重量 起升臂的角度 举升时的加速度等等 我们采用特定的情况下称 重 数学关系就比较简单 如图 2 1 所示 1 在举升臂固定的角度下 定高停一下 静态称重 即测静态油压 这时油 压和举升物重量成正比关系 2 在举升臂固定的角度下采集数据 不停即动态称重 当举升加速度为零 匀 速上升时 油缸之油压也与举升物重量成正比 瞬时采样 相关资料及实验数据表明上述理论是正确的 在上述两种情况下 油压传感器把油压变为电信号 再经过线性放大器放大 其输出的电信号仍然与举升的物重成正比 通过计算机的数据处理 即能显示举升 物的重量 AB 动臂 设长为 L1 A 为动臂铰点 CD 油缸 C 为油缸铰点 L2 A C 两点间垂直距离 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 5 图 2 1 装载机智能型称重仪力臂关系 Fig 2 1 the arm of force relations about intelligent gravimeter 动臂与水平线的夹角 1 a 油缸与垂直线的夹角 2 a G 货物重量 F 油缸的油压力 作用在动臂上 则 2 1 2211 sincosaFlaGl 故 2 2 G al al F 22 11 sin cos 当在固定高度采样称重时 为定值 为常数 瞬时采样视为定值 1 a 2 a 1 l 2 l 即为常数 F 和 G 成线形关系 22 11 sin cos al al 2 3 总体方案的确定 此装载机智能型称重仪主要由传感器 A D 转换器 信号放大器 光电耦合器 单 片机系统 自动定高系统 数码显示电路 加速度修正电路 温度补偿电路 报警电 路 打印接口等组成 总体方案采用了当今最先进的单片微型计算机技术 它可以多功能化 智能化等 在抗干扰方面采用了光电耦合技术 三级滤波技术 A D 双积分平滑滤波技术 在提 高数字稳定性方面采用了逆变电源技术和三端稳压块串联稳压技术 其主要功能有 1 能自动去皮重并显示每斗净重 第 二章 总 体 方 案 设 计 6 2 有累计和报警功能 本功能对铁路货运很重要 因为每个车皮都有其额定 载荷 铁路车辆不允许超重 欠载时客户又不满意 3 数字显示清晰 识别不同吨位车皮 50T 60T 61T 63T 等 无读数误差 4 具有自动定高系统 称量准确 5 具有打印功能 并把所装货物重量记录下来 6 利用软件系统对测量误差进行修整 电路框图如图 2 2 所示 图 2 2 总体方案设计框图 Fig 2 2 The diagram of total project design 1 电源电路 2 传感器 3 放大电路 4 A D 转换 5 单片机系统 6 数字显示 7 报警电路 8 打印接口 9 车皮选择开关 10 定高控制系统 3 1 2 6 10 4 58 9 7 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 7 第三章 称重传感器设计 装载机智能型称重仪作为一种称重装置 其主要的称重测量元件就是传感器 只 有通过性能良好的传感器 准确地捕获和转换信号 才能使称重装置具有较高的精度 和可靠性 3 1 传感器概述 3 1 13 1 1 传感器定义及其组成传感器定义及其组成 1 传感器的定义传感器的定义 传感器是一种以一定的精确度将被测量 如位移 力 加速度等 转换为与之有 确定对应关系的 易于精确处理和测量的某种物理量 如电量 的测量部件或装置 目前 由于电子技术的进步 使电学量具有便于传输 转换 处理 显示等特点 因此 通常传感器是将非电量转换成电量输出 2 传感器的组成传感器的组成 传感器的组成按其定义一般是由敏感元件 转换元件和测量电路 基本转换电路 三部分组成 除自源型传感器外 还需外加辅助电源 如图 3 1 所示 图 3 1 传感器组成框图 Fig 3 1 The diagram of transducer composition 由图可知 传感器由以下几个部分组成 1 敏感元件 预变换器 直接感受被测量 一般为非电量 并将其转换为与 被测量有确定关系的易变成电量 包括电量 的其它量的元件 2 转换元件 变换器 将敏感元件输出的非电物理量 如应变 光强等 转 换成电路参数 如电阻 电容等 量 3 测量电路 基本转换电路 把转换元件输出的电信号变为便于处理 显示 记录 控制的可用电信号的电路 测量电路的类型视转换元件的不同而定 经常采用 的有电桥电路和其它特殊电路 如高阻抗输入电路 脉冲电路 振荡电路等 4 辅助电源 供给转换能量 敏感元件转换元件测量电路 非电量 电量 辅助电源 第 三章 称 重 传 感 器 设 计 8 3 1 23 1 2 传感器的分类传感器的分类 用于测控技术的传感器种类繁多 一种被测量可以用不同传感器来测量 而同一 原理的传感器通常又可测量多种非电量 因此分类方法各不相同 目前尚没有统一的 分类方法 了解传感器的分类旨在加深理解便于应用 一般常用的分类方法有以下几 种 1 按输入量分类 按输入量可分为温度 压力 位移 速度 湿度等传感器 这种分类方法给使用 者提供了方便 容易根据测量对象来选择所需的传感器 2 按测量原理分类 现有传感器的测量原理主要是依据物理学各种定律和效应以及化学原理和固体物 理学理论 如根据电阻定律 相应的有电位计式 应变式传感器 根据变磁阻原理工 作的有电感式 差动变压器式 电涡流式等传感器 根据半导体有关理论 则相应的 有半导体力敏 热敏 光敏等固态传感器 等等 3 按输出量分类 按输出量分类有模拟式传感器和数字式传感器 模拟式传感器的特点是输出信号 为模拟量 数字式传感器的特点是输出信号为数字量 4 其它分类 传感器通常也可按结构型和物性型分类 1 结构型 主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为 相应电阻 电感 电容等物理量的变化 从而检测出被测量信号 这种传感器目前应 用得最为普遍 2 物性型 是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量 它是以半导体 电介质 铁电体等作为敏感材料的固态器件 3 1 33 1 3 对传感器的要求对传感器的要求 无论何种传感器 作为测量与控制系统的首要环节 通常都必须具有快速 准确 可靠且又经济的实现信息转换的基本要求 因此 对传感器有以下要求 1 足够的容量 传感器的工作范围或量程足够大 具有一定过载能力 2 与测量或控制系统相匹配性好 转换灵敏度高和线性程度好 3 反应快 工作可靠性好 4 精度适当 且稳定性好 即传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要 求 并长期稳定 5 适用性和适应性强 即动作能量小 对被测量的状态影响小 内部噪声小而 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 9 又不易受外界干扰的影响 使用安全等 6 使用经济 即成本低 受命长 且易于使用 维修和校准 完全能满足上述要求的传感器是很少有的 我们应根据应用的目的 使用环境 被测对象状况 精度要求和信号处理等具体条件全面综合考虑 3 2 电阻应变式传感器 电阻应变式力传感器由于其良好的性能正越来越多的应用于各领域 随着传感器 技术的迅猛发展 目前的电阻应变式力传感器的测量范围已经宽达从百分之一牛到几 十兆牛 精度则达到 0 005 甚至更高 电阻应变式力传感器具有以下的特点 1 测量范围广 如应变力传感器可测量 10 2 107N 的力 应变式压力传感器可 测量 10 1 106Pa 的压力 2 精度高 高精度应变式传感器的误差可达 0 1 或更高 3 输出特性的线性好 4 结构简单 使用方便 工作性能稳定 可靠 5 能在恶劣的环境条件下工作 这类传感器能在大加速度和振动的条件下工作 只要进行适当的结构设计及选用合适的材料 应变式传感器能在高温 低温 强腐蚀 及核辐射的条件下可靠地工作 6 易于实现检测过程自动化和多点同步测量 远距离测量和遥测 7 灵敏度高 测量速度快 适合静态 动态测量 8 可以测量多种物理量 电阻应变式传感器由弹性元件 电阻应变敏感元件以及变换电路等组成 其一般 的构造 是在一定形式的弹性元件上粘贴或用其他的方法安装电阻应变敏感元件 当 力学量作用在弹性元件上时使弹性元件产生相应的变形 由于电阻应变敏感元件的应 变电阻效应 此变形促使其上的电阻应变敏感元件阻值随之发生变化 变换电路将这 一阻值变化变换成电压变化输出 电压变化量的大小就反映了被测力学量的大小 下面我们就将从弹性元件的材料与结构形式 电阻应变敏感元件的转换原理以及 变换电路 传感器温度补偿电路和测量电路等几个方面分别进行讨论 3 2 13 2 1 弹性敏感元件弹性敏感元件 弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位 在传感器工作过程中 一般 是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等 然后配合 各种形式的转换元件 把非电量转换成电量 所以在传感器中弹性元件是应用最广泛 的元件之一 其质量的优劣直接影响传感器的性能及精度 有时还是传感器的核心部 第 三章 称 重 传 感 器 设 计 10 分 弹性敏感元件能够感受力 压力 力矩 振动等待测参数 并由它变换为弹性敏 感件本身的应变 位移 扰度 等 所以它是把被测参数由一种非电物理量转换成为 所需要的另外一种物理量 直接起到测量的作用 故也可以称它为测量敏感元件 1 弹性元件的基本特征 弹性敏感元件的基本特性一般是用刚度和灵敏度来表征 1 刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度表示 亦即刚度是弹性元件产生单 位位移所需要的力 或压力 如果用符号 k 代表刚度 则 3 1 d dF F k lim 0 式中 F 作用在弹性元件上的外力 弹性元件产生的变形 2 灵敏度 灵敏度是刚度的倒数 即它是作用于弹性元件上单位力 或压力 所产生的变形 如果用符号 K 代表灵敏度 则 3 2 dF d K 从上式可以看出 若以相同的力作用在弹性元件上时 变形大的灵敏度就高 变 形小的灵敏度就低 与刚度相似 如弹性特性是线性的 则灵敏度为一常数 若弹性 特性是非线性的 则灵敏度为一变数 即表示此弹性元件在弹性变形范围内 各种受 力情况下的变形量是不相等的 在传感器设计中 有时要应用 n 个弹性敏感元件串联或并联 例如组合式弹性元 件 当弹性元件并联时 其灵敏度为 3 3 n 1i i K 1 1 K 当弹性元件串联时 其灵敏度为 3 4 n 1i i KK 式中 i 并联或串联弹性敏感元件的数目 第 i 个弹性敏感元件的灵敏度 i K 2 弹性敏感元件材料的选择 衡量弹性敏感元件材料基本性能的主要指标是弹性储能 也叫应变能 弹性储能 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 11 是材料在开始塑性变形以前单位体积所吸收的最大弹性变形功 它表示弹性材料吸收 变形功而不发生永久变形的能力 要选择好的弹性敏感元件的材料 必须要了解对弹性敏感元件材料有什么要求 1 材料的弹性模量 由于弹性元件上的应变直接与材料的弹性模量有关 因而弹性元件材料的弹性模 量直接影响着传感器的性能 a 弹性模量与应变之间的关系 要求材料的弹性模量在传感器额定量程内保持不变 这样 当弹性元件结构是线 性情况时 就可以使得应变敏感元件处的应变与力 位移或压力等物理量之间保持线 性关系 b 弹性模量与温度之间的关系 大部分材料的弹性模量都随温度的升高而减小 因而 当外界温度改变时由于材 料弹性模量随温度的升高而减小 就会造成传感器灵敏度的变化 对此必须进行线路 的补偿 c 弹性模量随时间的稳定性 要求材料的弹性模量不随时间发生变化 也就是说在传感器使用寿命期间内材 料的弹性模量不发生变化 由于弹性元件在机械加工和热处理后存在着残余应力将重 新分布 使弹性元件出现附加变形 造成传感器的重复性能差 并且还会出现蠕变和 零漂 另一方面残余应力还将使弹性元件在加载过程中出现局部屈服 造成弹性模量 的改变和不稳定 因而 弹性元件材料应选用机械加工和热处理后残余应力小的材料 并且要对弹性元件进行消除残余应力的处理 如进行疲劳或表面腐蚀等 d 材料的加 卸载弹性模量 要求弹性元件材料在加载和卸载时的弹性模量相同 也就是要求材料不产生机械 滞后 加载和卸载时的应力 应变曲线重合 否则 将造成传感器的迟滞 e 动态状态下弹性元件材料的弹性模量 作为动态传感器的弹性元件既要求在高频振动和冲击下的弹性模量不改变或改 变很小 又要求有高的固有频率 2 材料的强度 要求材料的比例极限要高 这样弹性元件的工作应变区就大 相应的传感器的输 出信号也就大 同时 传感器都是多次反复使用的 因而希望使用寿命要高 对此就要求弹性元 件材料的疲劳强度要高 通常要求弹性元件中的最大应变值在 0 2000us 脉动循环时 第 三章 称 重 传 感 器 设 计 12 循环次数大于而不发生疲劳破坏 7 101 3 材料的散热性能 要求弹性元件材料的散热性能要好 由于电阻应变敏感元件在通电后要发热 传 感器性能会随之发生变化 而此热量主要通过弹性元件散发 达到与周围环境的热平 衡 即使在线路中采取了温度补偿措施 在传感器从通电到达热平衡的一段时间内 电阻应变敏感元件的热输出也是不稳定的 弹性元件的散热性好 达到热平衡的时间 就短 所需稳定时间也就短 否则将需要很长的时间来使传感器输出稳定 4 材料的线性膨胀系数 要求弹性元件材料的线性膨胀系数要小 当外界温度变化时 弹性元件会产生变 形 材料的线性膨胀系数越大 变形就越大 该变形将引起弹性元件的内应力 从而 引起传感器的温漂及灵敏度的变化 5 材料的抗腐蚀性 要求材料的抗腐蚀性要好 传感器的使用时间长 且有不少是在有腐蚀性气体或 液体的环境下工作的 如果弹性元件材料的抗腐蚀性能差 会由于弹性元件被腐蚀而 使传感器灵敏度发生变化 因此要求弹性元件材料或其所加防护层能抗腐蚀 钛合金 弹性铌合金 半奥氏体不锈钢等材料都具有很好的抗腐蚀性能 6 材料的工艺性能及价格 要求弹性元件材料的工艺性能要好 易碾压 锻造 焊接 切削和热处理等 并 且价格要便宜 以降低传感器的成本 3 国内外常用的弹性元件材料 国外传感器弹性敏感元件材料 主要使用的是合金结构钢 英 美 西德和瑞士 等国多采用中碳镍铬钢 也有国家使用中碳铬锰硅钢及弹簧钢以至铁 镍恒弹合金及高 速工具钢和价格昂贵的析出硬化型不锈钢 国内也主要采用合金结构钢 如 40Cr 30CrMnSiA 等 对腐蚀性介质则采用 1Cr18Ni9Ti 不锈钢 为减小温度的影响 也采用弹性模量温度系数很低的如 5J53 5J32 等的恒弹合金材料 在 60 100 时 其弹性模量温度系数仅为 比一般材料的 低两个数量级 最近又发展了一种温度在 6 1010 4 103 300 左右温度系数及线性膨胀系数均较好的高温恒弹合金 但由于价格昂贵 加工困 难 机械性能差 一般仅用于低压传感器 4 弹性敏感元件的结构形式 常用力传感器弹性元件的形式可以分为梁式和环式 而梁式弹性元件按固定情况 可分为悬臂梁及两端固定梁 按截面变化又可分为等截面梁 等强度梁及其他变截面 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 13 梁 按所检测的变形形式又可分为拉压式 剪切式及弯曲式等 截面形式又有矩形 工字形 圆形及空心截面等形式 其中 拉压式力传感器的优点是结构简单 制造方便 缺点是抗弯矩和横向力的 能力差 力作用点的变化会引起输出灵敏度的变化 同时存在较大的非线性误差 剪 切式力传感器的精度则比拉压式的高得多 具有良好的线形 并能经受较大的偏心载 荷和水平侧载 消除误差 而弯曲式力传感器则主要适用于测量中等和小力值 可以 取得较高的灵敏度 5 局部刚度差原理 虽然传感器结构形式多种多样 但大都遵循一定的原理 局部刚度差原理 这一 原理有助于我们选择合理的弹性体结构形式和电阻应变敏感元件的布置方式 提高传 感器的精度 灵敏度 强度和刚度等 设计出性能优秀的电阻应变式传感器 局部刚度差原理包含两方面的含义 第一 在弹性体设计时 应使弹性体非检测 部位的变形与被检测部位的变形相比是微小的 即在两者之间造成极大的刚度差 从 而使变形集中在被检测部位的局部区域 在外加正向载荷作用下 弹性体被检测局部 区域产生的变形最大 而弹性体总体位移是小的 第二 无论被测正向载荷通过几个 力路 在每个力路中都必须同时建立起与该传感器结构原理相一致的应变场 同时在 理想位置上 应变场主应力的方向是唯一确定的 3 2 23 2 2 电阻应变片的结构和分类电阻应变片的结构和分类 1 电阻应变片的结构 利用导电丝的应变电阻效应 可以制成测量试件表面应变的敏感元件 为了在较 小的尺寸范围内能敏感有较大的输出应变值 通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件 称为电阻应变片 电阻应变片是目前常用的电阻应变敏感元件 它主要由以下五个部分组成 图 3 2 电阻应变片的结构 Fig 3 2 Structure of resistive strain gauge 敏感栅 是应变片中实现应变 电阻转换的敏感元件 第 三章 称 重 传 感 器 设 计 14 基片 为了保持敏感栅固定的形式 尺寸和位置 通常用黏结剂将它固定在 纸质或胶质的基底上 引出线 起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用 覆盖层 是用纸 胶做成覆盖在敏感栅上的保护层 起着防潮 防蚀 防损等 作用 黏结剂 在制造应变片时 用它分别把覆盖层和敏感栅固定于基底 在使用应 变片时 用它把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部位 2 电阻应变片的分类 电阻应变片的种类繁多 分类方法也各异 按所选用的敏感材料可分为金属应变 片和半导体应变片 按敏感栅结构可分为单轴应变片和多轴应变片 按基底材料可分 为纸质应变片 胶基应变片 金属基底应变片 按制栅工艺可分为丝绕式应变片 短 接式应变片 箔式应变片 薄膜式应变片 按使用温度可分为低温应变片 30 以下 常温应变片 30 60 中温应变片 60 350 高温应变片 350 以 上 按安装方式可分为粘贴式应变片 焊接式应变片 喷涂式应变片 埋入式应变片 按用途可分为一般用途应变片 特殊用途应变片 按制造工艺可分为体型半导体应变 片 扩散型半导体应变片 薄膜型半导体应变片 n p 元件半导体型应变片 3 2 33 2 3 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器的工作原理是基于四个基本的转换环节 力 P 应变 电阻变化 R 电压输出 U 此种变换又是基于电阻应变片的应变 电阻效 应 即金属丝的电阻是随着其所受机械变形 拉伸或压缩 的大小而发生相应的变化 设有一长为 截面积为 电阻率为的导电金属丝 它的电阻由下式确定 lS 图 3 3 导体受力时参数变化示意图 Fig 3 3 Parameter change schematic drawing when conductor stress 3 5 S l R 当它受到轴向力而被拉伸 或压缩 时 其 和将均发生变化 如图 3 lS 3 所示 因而导体电阻 f 也随之发生变化 将式 3 5 两边取对数得lS 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 15 3 6 InSInlInInR 对上式两边微分得 3 7 S dS l dld R dR 式中 电阻的相对变化 R dR 材料的轴向线应变 为金属丝的轴向应变 3 8 l dl l dl 截面积的相对变化 S dS 因为 2 rS 可得 3 9 r dr r rdr S dS 2 2 2 式中 金属丝半径r 金属丝半径的相对变化 由线应变定义 为金属丝的径向应变 r dr r r dr r 又由材料的泊松比定律 为泊松比 代入 r r r dr 得出 3 10 r dr 将式 3 8 3 9 3 10 代入式 3 7 得 3 11 d R dR 21 金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间满足 V dV c d 因为 SlV 微分后得到 3 12 l dl S dS V dV 又因为 l dl r dr S dS 2 所以 3 13 l dl S dS V dV r 2 21 2 所以 3 14 21 c d 代入到式 3 11 得 3 15 m scc R dR 21 21 21 21 考虑到实际上 R 故将上式取有限值 3 16 m s R R 式中 金属材料的灵敏度系数 m s 21 21 csm 第 三章 称 重 传 感 器 设 计 16 由式 3 16 表明 金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比 这就是金属 材料的应变电阻效应 3 2 43 2 4 电阻应变片的变换电路电阻应变片的变换电路 1 桥路分析 在电阻应变式传感器中经常采用恒压电桥电路 恒流电桥电路及双恒流电路等将 电阻应变敏感元件的电阻变化转换为电压变化信号 在此 我们仅讨论较为简单的恒 压电桥电路 图中四个电阻分别为四个电阻应变片的电阻值 电桥 AC 两端接直流恒压电源 BD 两端为输出端 接内阻为的放大器或检测仪表 根据克希霍夫定律可得 0 R 012 III 043 III 同时 uRIRI 4433 0RIRIRI 110033 0RIRIRI 220044 图 3 4 恒压电桥电路 Fig 3 4 Bridge circuit of constant voltage 联立可得输出电流 RR RR RR RR RR RR R RRRR u I 2143432143210 3241 0 输出电压为 3 17 RR R RR RR R RR RR RR RRRR u RIu 21 0 43 43 0 21 4321 3241 000 可见 若 则 此时电桥处于平衡状态 0RRRR 3241 0u0 当电桥输出端与直流放大器相连时 由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大 0 R 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 17 得多 为此可将电桥输出端看成开路情况 即 这种电桥称为 电压 0 R0I R0 输出桥 此时式 3 17 简化为 3 18 RR RR RRRR u u 4321 3241 0 下面仅讨论最常用的全等臂电桥 设各桥臂的初始电阻为 则电桥初始处于平衡状态 当四个RRRRR 4321 桥臂电阻分别为 时 由上式可得 1 dRR 2 dRR 3 dRR 4 dRR dRdR 2RdRdR 2R dRR dRR dRR dRR uu 4321 3241 0 将上式加以改写 得 3 19 R dR R dR R dR R dR 2 1 1 R dR R dR R dR R dR 4 u u 4321 3241 0 由于在一个传感器中总是使用相同型号和规格的电阻应变片 因此 他们的电阻 变化率与应变的关系为 1 1 K R dR 2 2 K R dR 3 3 K R dR 4 4 K R dR 代入式 3 19 可得 3 20 2 K 4 1 uKu 4321 3241 0 由于项比 1 小的多 如将其忽略 则式 3 20 简化为 4321 3 21 4 uK u 32410 可见输出电压与应变之间就近似为线性关系 2 差动电桥原理 一个性能良好的传感器 首先要有一个力学性能良好的弹性体结构 但是对同一 个弹性体结构来说 可以有若干种布片组桥方式 不同的方式得到的传感器性能会有 很大的差异 差动电桥原理就可以指导我们获得最佳的布片组桥方案 此原理也包含两方面的含义 其一 在电桥桥路中 电阻应变计必须对所有力路 进行检测 且由正向载荷引起的应变值 在桥路输出中总是叠加的 例如最典型的做 法就是使 其二 由非正向载荷引起的附加应变 作为干扰信号 3241 应在正负桥臂上或是自行抵消 或是以相等值对称出现 因而避免在桥路输出中产生 影响 3 电路的补偿 电阻应变式传感器的输出电阻随温度而变化 由于应变片材料与试件材料热膨胀 第 三章 称 重 传 感 器 设 计 18 系数不同 还会产生附加应变 为了提高测量精度 稳定性和其它性能 必须采用相 应的补偿技术 1 初始不平衡补偿及电桥的调零 在温度恒定时 传感器不承受负载 由于制造工艺上的问题 应变片的阻值不等 而造成初始不平衡 可通过在相应的桥臂上串接一个经过处理的温度稳定性好的锰铜 或康铜小电阻或箔式可调电阻片来使得输出基本为零 这个小电阻片就称为平衡电阻 如图 3 5 中的 Rb就是接入的补偿电阻 图 3 5 带电桥补偿的电路 Fig 3 5 Circuit with equalizer of a bridge 电桥接入平衡补偿电阻 Rb后 电桥的输出尚有少许不平衡 这时可采用可调电阻 对桥路进行调零 图 3 6 就是直流电桥的调零电路 图 3 6 直流电桥的调节电路 Fig 3 6 Adjustment electric circuit of DC bridge 2 温度补偿 由于应变片的电阻随温度而变化 而且由于应变片材料和试件的线膨胀系数也不 同 故如果对温度变化所引起的电阻相对变化不加补偿 则应变片几乎不能应用 应 变片电阻随温度变化的函数关系为 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计 19 3 22 1 01 tRR tt 式中 Rt1 Rt0分别为 t1 t0温度下的电阻值 t t1 t0为温差 因此 可求得温度从 t0上升到 t1时 应变片的电阻将变化 3 23 tRR tt 01 考虑材料的膨胀系数不同时 因温度变化引起的附加变形产生的电阻变化关系为 3 24 tkRR gt 00 式中 R 是由于膨胀系数不同所产生的电阻增量 g a分别为试件 应变片电阻 丝的膨胀系数 k0为应变片的灵敏度系数 电阻应变片的温度误差可采用敏感栅热处理或采用两种温度系数的材料相互补偿 的方法进行补偿 然而 用得更多的是电桥补偿法 测量桥路如图 3 4 所示 如果初 始电阻 R1 R2 R3 R4 R 且 RL 时 桥路的输出电压与桥臂电阻间的增量表达式 为 3 25 4 4 3 3 2 2 1 1 0 4R R R R R R R RU U 因为每一个桥臂电阻变化均是由两部分组成 即一部分为应变引起的 另一部分 为温度变化引起的 所以有 3 26 4 3 2 1 0 i R R k R R i ti xi i i 将式 3 26 代入式 3 25 可得 3 27 4 4 3 3 2 2 1 1 432100 4R R R R R R R R k U U tttt xxxx 从上式可以看出 若桥臂电阻均在同一温度场 各桥臂电阻同批制造