传感器原理课设.doc

武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 0 目录 1 绪论 1 1 1 课程设计背景 1 1 2 传感器发展动态 1 1 3 电阻应变式传感器 2 2 测量方案的制定 5 2 1 传感器的工作原理 5 2 2 传感器的组成结构 6 2 3 轮辐式传感器 7 2 4 梁式传感器 8 2 5 环式传感器 9 2 6 柱式传感器 9 2 7 测量原理框图 12 3 弹性元件的计算与选择 14 3 1 弹性元件的材料 14 3 1 1 弹性元件的要求 14 3 2 弹性元件的选择 14 3 2 1 常见的弹性原件 14 3 2 2 硬化不锈钢材料介绍 14 3 3 弹性元件的分析和计算 15 3 3 1 弹性元件的参数计算 15 3 3 2 截面积的计算 16 3 3 3 柱高 h 及其他尺寸的确定 17 4 电阻应变片的选择 18 4 1 电阻应变片的结构和工作原理 18 4 2 电阻片的应变效应 18 4 3 电阻应变片的相关选择 19 5 外壳尺寸确定 23 6 测量电路的选择与计算 25 6 1 桥路的选择 25 6 2 放大电路的设计与参数计算 27 6 3 相敏检波电路的设计与参数算 30 6 4 低通滤波电路的设计与参数算 32 7 误差与精度分析 34 7 1 误差来源 34 7 2 数据处理 34 8 心得体会 36 9 参考文献 37 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 1 1 绪论 1 1 课程设计背景 现代信息技术的三大基础是信息的拾取 传输和处理技术 也就是传感技 术 通信技术和计算机技术 它们分别构成了信息技术系统的 感官 神经 大脑 如果没有 感官 感受信息 或者 感官 迟钝 都难以形成高精度 高反应速度的控制系统 可见传感器技术是一种和其他多种现代科学技术密切 相关的尖端技术 应变式力传感器用作静态 动态条件下测力或称重 在我国 工业生产过程检测与控制 自动计量等领域已大量应用 随着技术进步以及用 现代电子信息技术改造传统产业的深入 其需求量日趋增加 传感器是测量装 置和控制系统的首要环节 如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量 那么 无论是信号转换或信息处理 或者最佳数据的显示和控制 都将成为一 句空话 可以说 没有精确可靠的传感器 就没有精确可靠的自动检测和控制 系统 现代电子技术和电子计算机为信息转换与处理提供了极其完善的手段 使检测与控制技术发展到崭新阶段 但是如果没有各种精确可靠的传感器去检 测各种原始数据并提供真实的信息 那么 电子计算机也无法发挥其应有的作 用 1 2 传感器发展动态 传感器技术所涉及的知识非常广泛 渗透到各个学科领域 但是它们的共 性是利用物理定律和物质的物理特性 将非电量转换成电量 所以如何采用新 技术 新工艺 新材料以及探索新理论 以达到高质量的转换效能 是总的发 展途径 由于科学技术迅猛发展 工艺过程自动化程度越来越高 因此对测控系统的精 度提出更高的要求 近年来 微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到 应用 而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术 根据这些时代特点 传 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 2 感器将向以下几个方面发展 为了提高测控精度 必须使传感器的精度尽可能 提高 例如对于火箭发动机燃烧室的压力测量 希望测量精度的功能优于 0 1 对超精度加工 在线 检测精度高于 0 1mm 因此需要研制出高精度的 传感器 以满足测量的需求 目前我国以研制出精度优于 0 05 传感器 1 31 3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器具有悠久的历史 将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元 件上 可构成测量位移 力 力矩 压力等各种参数的电阻应变式传感 电阻 应变式传感器具有以下很多优点 结构简单 使用方便 性能稳定 可靠 易于实现测试过程自动化合多点同步测量 远距离测量和遥测 灵敏度高 测量速度快 适合静态 动态测量 可以测量多种物理量 电阻应变式传感器的结构和工作原理很简单 电阻应变式式传感器由弹性敏感 元件与电阻应变片构成 弹性元件在感受被测量时将产生变形 其表面产生应 变 而粘贴在敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生变形 因此 电阻应变片的电阻值也产生相应的变化 这样 测量电阻应变片的电阻值变化 就可以确定被测量的大小了 本次设计制作柱式压力传感器 柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种 应变片粘贴在弹性体外壁应力均匀的中间部分 并均匀对称地粘贴多片 因为 弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性有影响 所以对实心圆柱 一般取 H 2D L 而空心圆柱一般取 H D d L 式中 H 为圆柱体高度 D 为圆柱外 径 d 为空心圆柱内径 L 为应变片基长 根据材料力学和惠斯顿电桥原理 均为全桥工作方式 柱 筒 式弹性元件的 参数可用下式计算 3 10 2 1 AE KF S 式中 S 传感器的灵敏度 mV V 静态使用时可取 1 1 5 mV V 那 如进 行灵敏度补尝及线性补偿等 上列值应再乘以 1 2 1 25 倍 料的泊松 比 F 传感器的额定负荷 K 应变计的灵敏系数 E 材料的弹性 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 3 模量 A 弹性元件贴片部位的截面积 圆筒式 1 1 圆柱式 1 2 选择 D 与 d 时 要考虑到构件的稳定性及加工条件 圆筒式的壁不能太薄 两端的刚度要足够 当安装 紧固传感器时 不应使中段产生腰鼓变形 过渡 部分的圆弧半径不可太小 以避免造成应力集中而影响疲劳寿命 为使贴片部 位应力分布均匀 长度 L 不可太短 圆柱式一般取 L 2 2 5 D 圆筒式 可适当短一些 弹性元件中段的应力为 F A 材料选定后 应检查是否满足 为许用应力 一般取 1 3 1 4 s N mm2 式中 s 材料的屈服点 N mm2 柱式力传感器的结构简单 可以测量大的拉压力 最大可达 107N 在测 1000 10000N 时 为了提高变换灵敏度和抗横向干扰 一般采用空心圆柱式结构 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 4 2 测量方案的制定 2 1 传感器的工作原理 电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成 弹性敏感元件在感 受被测量时将产生变形 其表面产生应变 而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻 应变片将随着弹性敏感元件产生应变 因此电阻应变片的电阻值也产生相应的 变化 这样 通过测量电阻应变片的电阻值变化 就可以确定被测量的大小了 弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件 要根据被测参数来设 计或选择它的结构形式 电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件 是电阻 应变片传感器的核心元件 那么现在举几个简单的例子来说明传感器的原理 如图 2 1 2 2 所示 图 2 1 柱式力传感器原理图 图 2 2 梁式力传感器原理图 上面两个例子简单说明了传感器的工作原理 其中图 2 1 是柱式力传感器原 理图 当圆柱里的应变片受力变形时 会随力增加而缩短 同时 外面 1 R 2 R 的电阻会受应力而拉伸 在弹性范围内 应力与应变成正比关系 3 R 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 5 SE F El l 式中 作用在弹性元件上的集中力 圆柱的横截面积 FS 这个公式说明应力的变化和圆柱体受力的大小和圆柱的横截面积有关 其中 一个变化应力就随着变化 同样的道理图 2 是梁式力传感器的简易原理图 弹性元件为一端固定的悬臂 梁 力作用在自由端 顺着 的方向分别贴上 电阻应变片 此 l 1 R 2 R 3 R 4 R 时 随力增加而拉伸 随力增加而压缩 两者发生极性相反的 1 R 4 R 2 R 3 R 等量应变 粘贴应变片处的应变为 EbR Fl E 2 6 这种传感器会因受力的变化应力也改变 上述这两种传感器具有结构简单 加工容易 应变片容易粘贴 灵敏度高等 特点 2 2 传感器的组成结构 传感器亦称变换器 是将各种非电量 包括物理量 化学量 生物学量等 按一定的规律转换成便于处理和传输的另外一种物理量 一般为电量 磁量等 的装置 它能把某种形式的能量转换成另一种形式的能量 传感器一般由敏感 元件 传感元件和测量电路 3 部分组成 有时还需加上辅助电源 其原理如图 2 3 所示 图 2 3 传感器原理框图 其中 1 敏感元件直接感受被测物理量 如在应变式传感器中为弹性元件 2 传感元件将感受到的非电量直接转换成电量 是转换元件 3 测量电 路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示 控制和处理的有用电信号的电 路 使用较多的是电桥电路 由于传感器元件输出的信号一般较小 大多数的 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 6 测量电路还包括放大电路 有的还包括显示器 直接在传感器上显示出所测量 的物理量 4 辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件 下面具体介绍这几种元件的性能 1 敏感元件 敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件 例 如铂式电阻能根据感受温度的升降而改变其阻值 阻值的变化就是对温度升降 做出的响应 所以铂式电阻就是一种温度敏感元件 又如弹性膜盒能根据感受 压力的高低而引起形变 形成程度就是对压力高低做出的响应 因此 弹性膜 盒是一种压力敏感元件 为了获得被测变量的精确数值 不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵 敏 还希望它不受或少受其它环境因素的影响 也就是说 敏感元件的输出响 应最好单值地取决于输入被测变量 例如箔电阻的阻值除受温度影响外 也受 应力的影响 这就要求用适当的工艺消除应力 弹性膜盒的形变除取决于压力 变化外 也和环境温度变化有关 必要时应采取温度补偿措施 敏感元件的输 出响应与输入变量之间如果是线性关系 当然最便于应用 即使是非线性关系 只要这种关系不随时间而变化 也可以满足使用的基本要求 2 传感元件 传感器不只是一般的敏感元件 它的输出响应还应该必须是 易于传送的物理量 所以就要用到传感元件 传感元件是指传感器中能够将敏 感元件感受或响应的被测量转换成易于传递的物理量的部分 例如弹性膜盒的 输出响应是形变 是微小的几何量 位移 不便于远距离传送 3 测量电路 转换电路是将转换元件输出的可用信号作为输入 将其进行 放大 显示和记录的电路 转换电路的类型和被测量 测量原理以及转换元件 有关 常用的电子器件有电桥 放大器 振荡器 阻抗变换器等 2 3 轮辐式传感器 外加载荷作用在轮的顶部和轮圈底部 轮辐上受到纯剪切力 每条轮辐上的 剪切力和外加力 F 成正比 当外加力作用点发生偏移时 一面的剪切力减小 一面增加 其绝对值之和仍然是不变的常数 应变片 8 片 的贴法和连接电桥 如图 2 4 所示 可以消除载荷偏心和侧向力对输出的影响 这是一种较新型的 传感器 其优点是精度高 滞后小 重复性及线性度好 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 7 图 2 4 轮辐式传感器 2 4 梁式传感器 梁式力传感器有多种形式 有等截面梁 等强度梁和双端固定梁等 通过 梁的弯曲变形测力 结构简单 灵敏度较高 等截面梁其特点为结构简单 易 加工 灵敏度高 适合于测 5000N 以下的载荷 也可以测量小的压力 等强度 梁力 F 作用于梁端三角形顶点上 梁内各断面产生的应力相等 表面上的应变 也相等 故对粘贴应变片位置要求不严 另外梁的形式还有平行双孔梁 工字 梁 S 型拉力梁等 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 8 图 2 5 平行梁式传感器外形尺寸 2 5 环式传感器 环式常用于测几十千克以上的大载荷 它的特点是应力分布变化大 且有 正有负 便于接成差动电桥 环式弹性元件包括典型的圆环式 扁环式 柱环 式等 图 2 6 环式力传感器 其中 a 为圆环式 b 为扁环式 c 为柱环式 d 为电桥电路 2 6 柱式传感器 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 9 柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种 应变片粘贴在弹性体外壁应 力均匀的中间部分 并均匀对称地粘贴多片 因为弹性元件的高度对传感器的 精度和动态特性有影响 所以对实心圆柱 一般取 H 2D L 2 1 而空心圆 柱一般取 H D d L 2 2 式中 H 为圆柱体高度 D 为圆柱外径 d 为空心 圆柱内径 L 为应变片基长 图 2 1 和图 2 2 表示出柱 实心 式 筒 空心 式弹性元件的结构 根据 材料力学和惠斯顿电桥原理 均为全桥工作方式 柱 筒 式弹性元件的参 数可用下式计算 2 3 式中 S 传感器的灵敏度 mV V 静态使用时可取 1 1 5 mV V 那 如 进行灵敏度补尝及线性补偿等 上列值应再乘以 1 2 1 25 倍 料的泊 松比 F 传感器的额定负荷 K 应变计的灵敏系数 E 材料的弹 性模量 A 弹性元件贴片部位的截面积 圆筒式 2 4 圆柱式 2 5 选择 D 与 d 时 要考虑到构件的稳定性及加工条件 圆筒式的壁不能太薄 两端的刚度要足够 当安装 紧固传感器时 不应使中段产生腰鼓变形 过渡 部分的圆弧半径不可太小 以避免造成应力集中而影响疲劳寿命 为使贴片部 位应力分布均匀 长度 L 不可太短 圆柱式一般取 L 2 2 5 D 圆筒 式可适当短一些 弹性元件中段的应力为 F A 2 6 材料选定后 应检查是否满足 为许用应力 一般取 1 3 1 4 s N mm2 式中 s 材料的屈服点 N mm2 柱式力传感器的结构简单 可以测量大的拉压力 最大可达 107N 在测 1000 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 10 10000N 时 为了提高变换灵敏度和抗横向干扰 一般采用空心圆柱式结构 图 2 7 圆柱面展开及电桥 a 圆柱面展开图 b 电桥连接示意图 图 2 8 柱式传感器外形尺寸 综上所述 总结出四种弹性体的比较表如表 2 1 所示 类型负载能力精度线性度工艺性体积 轮辐式大高好较复杂较小 梁式小高较好简单小 环式较大高好较复杂小 柱式大较高较好简单大 表 2 1 四种弹性元件的比较 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 11 结论 对以上各种形式的传感器进行比较 由于柱式传感器具有负载能力大 精度较高 加工工艺简单 线性度较好等特点 并根据题目的参数要求 测力 范围 1 103 1 104 N 称量精度 1 和器件的应用性 加工性 本设计 选用柱式传感器作为测量元件 2 7 测量原理框图 图 2 9 测量原理组成框图 1 电桥 电桥多采用惠斯顿电桥 由正弦波产生电路供给等幅正弦波作为桥路电源 正弦波频率一般为 5 10 倍测量信号最高频率 电桥输出为一调幅波 其幅值按 所测应变大小变化 其相位按应变正 负 拉 压 相差 180 度 2 放大器 放大器的作用是将微弱的调幅波进行不失真的放大 提供给后续的处理或 显示电路 3 相敏检波电路 经放大以后的波形仍为调幅波 必须用检波器将它还原 解调 为被检测 应变信号的波形 为了区别应变的极性 拉 压 本次课设采用了相敏检 波器 4 低通滤波器 由相敏检波器输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号 必须滤掉 方 能得到被检测应变信号的正确波形 可采用各种形式低通滤波器 滤波器的截 止频率只要做到 0 3 0 4 倍载波频率 即可满足频率特性的要求 顺利地滤掉载 波成分 而让应变信号顺利通过 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 12 5 正弦信号发生器 正弦信号发生器的作用是产生一个频率 振幅未定且波形良好的正弦交流 电压 作为电桥供给电压和相敏检波的参考电压 载波波形一般要求不低于被 测信号频率的 5 10 倍 以保证调幅波的包络接近应变波的波形 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 13 3 弹性元件的计算与选择 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 3 1 弹性元件的材料 3 1 1 弹性元件的要求 在设计传感器以前 首先应选择好弹性元件材料 对弹性元件材料提出以下 要求 1 强度高 弹性极限高 2 具有高的冲击韧性和疲劳极限 3 弹性模量温度系数小而稳定 4 热处理后应有均匀稳定的组织 且各向同性 5 热膨胀系数小 6 具有良好的机械加工和热处理性能 7 具有高的抗氧化 抗腐蚀性能 8 弹性滞后应尽量小 3 2 弹性元件的选择 3 2 1 常见的弹性元件 1 等截面梁 2 等强度梁 3 两端固定梁 4 环式弹性元件 5 平 膜片 6 垂链式膜片 7 波纹膜片和膜盒 8 圆柱式弹性元件 9 波纹管 3 2 2 硬化不锈钢材料介绍 不锈钢称重传感器的弹性元件 多使用马氏体弥散硬化不锈钢 例如美国的 17 一 4PH 15 5PH AIS1630 英国的 630 631 和日本的 SUS630 等 这两种不 锈钢具有良好的焊接性能 无磁性汉材 R 多介质有很强的抗腐蚀能力 抗微塑 变形能力强 并具有较高的耐应力松弛性能 又由于这类不锈钢有非常好的塑 性 便于加工 可用来制造形状复杂的弹性元件 所以被广泛应用 17 4PH 和 15 5PH 不锈钢的主要物理常数完全相同 即弹性模量 E 2 0 Pa 11 10 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 14 泊桑比 0 272 密度 P 7 8g cm3 结论 结论 根据应变式拉 压传感器的使用特性和性能指标 本次的传感器的要求又 是要求精度不太高 并为保证弹性稳定性好 故弹性体选用硬化不锈纲材料 3 3 弹性元件的分析和计算 对于荷重测量 要求传感器弹性元件具有高的弹性极限 高的冲击韧性和 疲劳极限 具有良好的机械加工和热处理性能 具有高的抗氧化 抗腐蚀性能 而且热膨胀系数和弹性滞后应尽量小 对于本设计 比较圆柱式弹性元件与 S 型弹性元件 由于 S 型只适用于较 低应力的场合 故选用圆柱式 3 3 1 弹性元件的参数计算 圆柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种 如下图所示 实心圆柱可以承受较大的负荷 在弹 性范围内 则应力与应变成正比关系 3 1 SE F El l 式中 F 作用在弹性元件上的集中力 S 圆柱的横截面积 圆柱的直径根据材料的允许应力来计算 图 3 1 实心圆柱与空心圆柱 由于 F S 3 2 而 S d2 4 3 3 式中 d 为实心圆柱直径 则直径 d 3 4 4 F 由上列各式知 若想提高变换灵敏度 必须减小横截面积 S 但 S 减小其抗 弯能力也减弱 对横向干扰力敏感 为了解决这个矛盾 在小集中力测量时多 采用空心圆筒或采用承弯膜片 空心圆筒在同样横截面情况下 横向刚度大 横向稳定性好 同理 承弯膜片的横向刚度也大 横向力都由它承担 而其纵 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 15 向刚度小 空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算 由于 3 5 4 2 F D 所以 D 3 6 4 F 式中 D 空心圆柱外径 弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响 由材料力学可知 高度对沿其横截面的变形有影响 当高度与直径的比值 H D 1 时 沿其中 间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关 试验研究的结果建议采用 H 2D L 3 7 式中 L 为应变片的基长 对于空心的圆柱为 H D L 3 8 因此 经比较分析选取实心圆柱作为弹性体 3 3 2 截面积的计算 根据上表可以比较 本次的传感器采用不锈钢 ICr18Ni9 查表得 s 1200MPa E 200GPa 根据许用应力计算公式 当安全系数取 2 得 s s n s n MPa MPa ns s 600 2 1200 根据公式 3 5 得 2 7 max 2 1 17 1060 10000 4 mm F DS 又因为应变片的应变比为 800 2000 取 0 1000 当弹性体的应变比 1小于 c 才不至于损坏应变片 得到以下关系式 1 0 P 2 69 0 max 2 0 50 10100010200 10000 mm E F S 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 16 当弹性体的截面积同时大于 S1 S2 时才能满足整体的设计要求 max S1 S2 S 2 0 50 mm 为了使传感器过载 50 时不至于损坏可是当增大其面积 22 7550 501mmmmS 弹性元件的外径 D 不能选择太小 否则会由于力的偏心造成很大的误差 在实际计算时先按照额定载荷 F 根据材料的参数求得 600MPa 取 D 1 2cm 3 3 3 柱高 H 及其他尺寸的确定 为了防止弹性元件受压时出现失稳现象 柱高 H 应当选得小些 但又必须 使应变片能够反映截面应变的平均值 这里选用弹性元件工作段的长度为 cmDH4 2 8 1 0 2 5 1 取 H 5 5cm 由于壁很薄 还必须检验是否会出现局部失稳 薄壁管的失稳临界应力公式为 1 3 2 1 2 lim D Et 20000 272 01 3102 1 2 1 101 010200 22 29 在超过满量程 150 的情况下 弹性元件截面中的应力为 MPa A F 8 81 102 12 1 4 100005 15 1 4 因此 受力超过满量程的 150 时的应力还远远小于材料的比例极限和临界 应力这表明该元件不会出现弹性失稳 此外 在两端需有螺纹孔 以便连接螺栓 选用螺孔为 M12 它的许用载 荷大于 10000N 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 17 4 电阻应变片的选择 4 1 电阻应变片的结构和工作原理 电阻式传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值 通过测量此电 阻值达到测量非电量的目的 这类传感器大致分为两类 电阻应变式和电位计 式 利用电阻式传感器可以测量形变 压力 力 位移 加速度和温度等非电 量参数 压力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一种电阻应变式传感器 传统 的电阻应变式压力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器 如图 7 所示 将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上 当弹性敏感元件受到 外施压力作用时 弹性敏感元件将产生应变 电阻应变片将它们转换成电阻变 化 再通过电桥电路及补偿电路输出电信号 它是目前应用较多的压力传感器 之一 因具有结构简单 使用方便 测量速度快等特点而广泛应用于航空 机 械 电力 化工 建筑 医学等诸多领域 图 4 1 传统的电阻应变片 传统的电阻应变式压力传感器的电阻敏感栅是刻录在一层绝缘脂薄膜上 而薄膜又通过粘结剂粘合到弹性基片上 由于弹性元件与粘结剂及绝缘脂膜之 间的弹性模量不同 弹性元件的应变不能直接传递给敏感栅 而是要通过粘结 剂 绝缘脂膜才能到达敏感栅 从而产生较大的蠕变和滞后 影响传感器的灵 敏度 响应度 线性度等性能 另外 由于粘结剂不能在高温条件下使用 这 也使它的应用范围受到限制 为了消除绝缘薄膜层和粘结剂层对传感器性能的影响 本文尝试采用真空 镀膜方法及光刻技术 在弹性元件上直接刻录敏感栅 弹性元件与敏感栅直接 接触 以克服常规工艺导致的滞后和蠕变大的缺陷 另外 如果弹性材料和结 构选择恰当 还可制成耐高温 耐腐蚀的全隔膜式薄膜压力传感器 4 2 电阻片的应变效应 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 18 考察一段圆截面的导线 金属丝 如图 4 1 设其长为 L 截面积为 A 直径 为 D 原始电阻为 R 4 1 L R R 如图 4 2 示 图 4 2 金属丝拉伸后的电阻变化 考虑到金属材料的泊松效应 经数学变换可以得到金属丝的电阻应变特性 4 2 dRd 12 R x 即 4 3 dR Rd 12 xx 令 4 4 dR Rd 12 xx Ks 称为金属丝的灵敏系数 表征金属丝产生单位变形时电阻相对变化的大Ks 小 由于目前还不能用确切的表达式给出 因此都由实验测得 实验表KsKs 明 在金属丝变形的弹性范围内 电阻相对变化与应变式成正比的 dR Rx 故是一个常数 所以式 1 3 以增量表示为Ks 4 5 R R sxK 金属丝做成敏感栅时 其电阻 应变特性就与直线时不同了 实验表明 应变片的与的关系在很大范围内仍有很好的线性关系 即 R R x 4 6 R R xK 式中为电阻应变片的灵敏系数 因为应变片存在横向效应所以 KK 4 7 sK 4 3 电阻应变片的相关选择 应变片材料的选择 现代应变片根据实际需要已发展成为多种型式 尺寸长的有几百毫米 短 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 19 的仅 0 2 毫米 形式上有单片 应变花和特殊形状的图案 使用环境 有高温 低温 水下 抗辐射 高压 抗强磁场等 安装形式有粘贴 非粘贴 焊接 火焰喷涂等 此外 应变片的工艺和原理还被移植到其他领域 产生了许多性 能优良的特殊片 如高精密电阻 疲劳片 裂纹片 测温片及传感器补偿片等 因此 传感器仅仅是应变片技术的应用领域之一 对应变片的要求 1 灵敏系数和电阻率要尽可能高而稳定 电阻率与机械应变sK dR R 之间应该具有良好而宽广的线性关系 即要求在很大范围内位常数 sK 2 电阻温度系数要小 电阻 温度间的线性关系和重复性好 3 机械强度高 辗压及焊接性能好 与其他金属之间接触热电势小 4 抗氧化 耐腐蚀性能强 无明显机械滞后 制作应变片敏感栅常用的材料有康铜 镍铬合金 铁镍铬合金 贵金属 铂 铂钨合金等 材料等 本设计选择康铜箔片作为敏感栅材料 康铜这种 材料容易得到 价格便宜 其电阻温度系数较小 应变片基底材料 基底的作用是固定应变计的敏感栅 使它保持一定的几何形状 并使电阻 敏感栅与弹性元件相互绝缘 所以它是电阻应变计的重要组成部分 应变片基 底材料有纸和聚合物两大类 纸类逐渐被胶基 有机聚合物 取代 因为胶基 各方面性能都好于纸基 胶基是由环氧树脂 酚醛树脂和聚酰亚胺等制成膜 厚约 0 03 0 05mm 对基底材料性能的要求有如下要求 1 机械强度高 挠性好 2 粘贴性能好 3 电绝缘性能好 4 热稳定性好和抗湿性好 5 无滞后和蠕变 所以可以选用玻璃纤维布作为基底材料 引线材料 引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线 一般要求引出 线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数 常温应变计引出线多用镀 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 20 银紫铜丝或铜带 高温应变计多采用镍铬 银 铂或铂铬等 高疲劳寿命的应 变计采用铍青铜作引出线 引出线与敏感栅的连接 可以用锡焊 电弧焊 电 接触焊等 康铜丝敏感栅应变片引线采用直径为 0 05 0 18mm 的银铜丝 采用 点焊焊接 粘合剂 电阻应变片工作时总是被粘贴在试件或传感器的弹性元件上 在测试被测 量时粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用 它应准确无误地将试件或弹性 元件的应变传递到应变片的敏感栅上去 所以粘合剂与粘贴技术对于测量结果 有直接作用 粘合剂的要求有 1 有一定的粘结强度 2 能准确传递应变 3 蠕变小 4 机械滞后小 5 耐疲劳 性能好 6 长期稳定性好 7 能够足够的稳定性能 8 对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用 9 有适当的贮存期 10 有较大的使用温度范围 一般情况下 粘贴与制作应变计的粘结剂是可以通用的 但是 粘贴应变 计时受到现场加温 加压条件的限制 通常在室温工作的应变计多采用常温 指压固化条件的粘结剂 非金属基应变计若用在高温工作时 可将其先粘贴在 金属基底上 然后再焊接在试件上 在实际上不可能满足所有的要求只能针对 具体条件和主要性能要求选用适当的粘合剂 应变极限 对于已安装好的应变计 在一定温度下 指示应变与被测试件真实应变的 相对误差不超过一定值 一般为 10 时 所能测量的最大真实应变值称为应变 极限 我们要求应变片的应变极限至少要大于 1000 10 6 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 21 影响应变极限的主要因素是粘结剂和基底材料传递变形的能力 以及应变 片的安装质量 为了减小此影响 应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料 以及合理的粘贴安装 基底和粘结剂的厚度不要太大 并应适当地进行固化处 理 才能获得较高的应变极限 而工作温度的升高会使应变极限下降 应变片的电阻值 是指未安装的应变片 在不同的外力作用下 在室温条件下测定的电阻值 也称为原始电阻值 单位为 应变片电阻值国内标准有 60 120 350 600 和 1000 等各种阻值 目 前传感器生产中大多数选用120 或350 的 应变片 但是由于大阻值应变片具有通过电流小 自热引起的温升低 持续工 作时间长 动态测量信噪比高等优点 并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热 引起的零漂 提高传感器长期使用的稳定性 因此 在不考虑价格因素的前提 下 使用大阻值应变片 对提高传感器精度是有益的 我们选用电阻值为 120 的 应变片 应变片基长的确定 当应变波为正弦波时 其波幅测量误差 为e 00 00 sin1 pl e l 上式中 正弦应变波长 应变片基长 0l 由上式可知 测量误差 与应变波长对基长的比值有关 为使测量误差尽量e 小 使 将展开成级数并略去高阶小量后 得01l 00 sin ll 22 00 11 66 ll f e 金属应变片贴在试件材料上 是常量 对于正弦波的响应误差随着栅长v 和频率的增加而增加 按给定精度确定和 0lf e0lmaxf 0max 6lle max 0 6fe l 因此基长应尽量短才能更好地测量出应变值 按照设定的最高工作频率 精度等级为 1 级 maxf 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 22 0 max 6 e l f 应变片的结构选择 应变片的结构形式很多 主要有丝式应变片 箔式应变片 半导体应变片 等 比较三种电阻应变片的特点 丝式应变片 制作简单 性能稳定 价格便宜 易于粘贴 但回线式应变 片横向效应大 而短接式应变片焊点多 在冲击 振动条件下 易在焊接处出 现疲劳破坏 对制造工艺的要求高 箔式应变片 表面积大 散热性能好 静态 动态特性好 可通过较大工 作电流 横向效应小 蠕变 机械滞后小 疲劳寿命高 但工艺复杂 半导体应变片 灵敏系数大 动态特性好 但重复性及温度 时间稳定性 较差 应变时非线性严重 互换性差 根据测量条件 选用丝式应变片作为敏感元件 5 外壳尺寸确定 综合上述分析计算 次课程设计选用 NS B 柱式荷重传感器 图 5 1 NS B 柱式荷重传感器实物图 量程量程 1 1 2 2 3 3 4 4H1H2SR 4 M 0 1t264854327054265 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 23 表 5 1 NS B 柱式荷重传感器外形尺寸 图 5 2 NS B 柱式荷重传感器结构尺寸 0 7t264854327054265 1t306464409070356 5t306464409070356 10t45848852130105558 20t45848852130105558 25t55104108701501206010 30t55104108701501206010 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 24 6 测量电路的选择与计算 6 1 桥路的选择 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器 传 感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成 当被测物理量作用在弹性元 件上时 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化 通过转换电路转换成 电量输出 电量变化的大小反映了被测物理量的大小 当具有初始电阻值 R 的应变片粘贴于试件表面时 试件受力引起的表面应 变 将传递给应变片的敏感栅 使其产生电阻相对变化 R R 在一定应变范 围内 R R 与 的关系满足下式 R K R 为应变片的轴向应变 定义 K R R 为应变片的灵敏系数 它表示安装在被测试件上的应变 在其轴向受到单向应力时 引起的电阻相对变化 R R 与其单向应力引起的试 件表面轴向应变 之比 电阻应变片计把机械应变转换成 R R 后 应变电阻变化一般都很微小 这样小的电阻变化既难以直接精确测量 又不便直接处理 因此 必须采用转 换电路 把应变片计的 R R 变化转换成电压或电流变化 通常采用惠斯登电 桥电路实现这种转换 若将电桥四臂接入四片应变片 如图 6 1 所示 即两个受拉应变 两个受 压应变 将两个应变符号相同的接入相对桥臂上 构成全桥差 动电路 在接入四片应变片时 需满足以下条件 相邻桥臂应变片 应变状态应相反 相对桥臂应变片应变状态应相同 可简称为 相邻相反 相对相同 此时 22 o E RRE RRR UE RRR 全桥差动电路不仅没有非线性误差 而且电压灵敏度 图 6 1 全桥电路 为单片工作时的 4 倍 同时具有温度补偿作用 当 E 和电阻相对变化一定时 电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关 直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得 电桥的调节平衡电路简单 如果测量静态量 输出为直流量 精度较高 传感器及测量电路的分布参数影 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 25 响小 直流电桥的缺点是容易受工频干扰 产生零点漂移 在动态测量时往往 采用交流电桥 交流电桥如图 6 2 所示 其输出电压为Ui zzzz zzzz U 4321 3241 平衡条件为 3241 zzzz 设各臂阻抗为 1 j iiii eZjxrz 故交流电桥的平衡条件为 3241 ZZZZ 3241 图图 6 26 2 交流电桥交流电桥 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 26 图图 6 36 3 交流电桥的平衡调节交流电桥的平衡调节 6 2 放大电路的设计与参数计算 为了将从传感器输出的微弱信号进行放大 以便送至后续电路进行处理 同时从传感器输出的信号带有很大的共模分量 所以这里选用差动放大器来进 行设计 一般的通用的差放电路如图 6 4 所示 其中 R1 R2 R3 R4 Vo V2 V1 R3 R1 V2 V1 R4 R2 此电路的特点是结构简单 但缺点就是输入电阻不够理想的大 所以需要 对此电路进行改进 以增加输入电阻的阻值 可以在图 6 4 所示的电路的输入前加一级如图 6 5 所示的电路 在图 6 5 中 V2 V1 Vi2 Vi1 R2 R3 R4 R4 由图可知 此电路的输入 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 27 阻抗很大 将图 6 4 和图 6 5 对接起来 这样就解决了输入阻抗小的问题 最终电路如图 6 6 所示 在图 6 6 中 Vo Vi2 Vi1 R3 R7 R6 R4 R6 R5 图图 6 46 4 一般的差放电路一般的差放电路 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 28 图图 6 56 5 图图 6 66 6 但本次课设为简便起见并未采用上述设计 而是选用的是反向串联型高共模 抑制比放大电路 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 29 6 3 相敏检波电路的设计与参数计算 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路 为什么要采用相敏检波 包络检波有两个问题 一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波 整流 无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位 第二 包络检波电路本身不 具有区分不同载波频率的信号的能力 对于不同载波频率的信号它都以同样方 式对它们整流 以恢复调制信号 这就是说它不具有鉴别信号的能力 为了使 检波电路具有判别信号相位和频率的能力 提高抗干扰能力 需采用相敏检波 电路 一般的相敏检波电路如图 6 7 所示 在图 6 7 中 Q1 为增强型 N 沟道 MOS 管 UC 为输入的参考信号 当 UC 为高电 平时 Q1 导通 对地电阻比较小 相当于接地 当 UC 为低电平时 Q1 截止 对 地阻抗为无穷大 相当于断开 由图可知 当 UC 为高时 Uo R3 R2 Us 令 R3 R2 则 Uo Us 当 UC 为低时 Uo Us 这样电路就有了相敏检波的能力 需要注意的是 由于 Q1 导通时体电阻始终不可能为 0 所以应该尽量增 加 R1 的阻值 以便在 Q1 导通时 4 点的电位尽量接近 0 R2 和 R3 的选取可以根据输入输出电阻的要求或是减小失调电压的影响而 适当的选取 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 30 图图 6 76 7 相敏检波电路相敏检波电路 图图 6 86 8 图 6 8 中方波为 UC 即参考信号 正弦波为 US 即输入信号 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 31 图图 6 96 9 图 6 9 为输出 Uo 的波形 6 4 低通滤波电路的设计与参数计算 低通滤波器是让某一频率以下的信号分量通过 而对该频率以上的信号分 量大大抑制的电容 电感与电阻等器件的组合装置 二阶低通滤波器 全极点二阶低通滤波器传输函数的常见形式为 2 0 0 2 2 00 s Q s H sH 这是典型的二阶极点系统 H0 时 W 0 时的幅值 W0 是特征频率 如果 W0 和 H0 都归一化为 1 则 1 1 1 2 s Q s sH 在时能得到带宽最宽的平坦通带响应 2 1 Q 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 32 图图 6 10 Sallen key 二阶低通滤波器二阶低通滤波器 2121 2 0 1 CCRR 1 0 r f R R H 22 11 0 12 21 11 22 1 1 CR CR H CR CR CR CR Q 设计方法 已知 W0 和 Q 的条件下 令 H0 1 电路中 Rr 开路 取 R1 R2 R 并选 R 为某一标称值 则 R Q C 0 1 2 RQ C 0 2 2 1 武汉理工大学 传感器原理 课程设计说明书 33 7 误差与精度分析 7 1 误差来源 电阻应变片也会有误差 产生的因素很多 所以测量时我们一定要注意 其 中温度的影响最重要 环境温度影响电阻值变化的原因主要是 A 电阻丝温度系数引起的 B 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的 对于因温度变化对桥接零点和输出 灵敏度的影响 即使采用同一批应变片 也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差 所以对要求精度较高的传感 器 必须进行温度补偿 解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的 自动补偿片 并从外部对它加以适当的补偿 非线性误差是传感器特性中最重 要的一点 产生非线性误差的原因很多 一般来说主要是由结构设计决定 通 过线性补偿 也可得到改善 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差 由于 粘合剂为高分子材料 其特性随温度变化较大 所以称重传感器必须在规定的 温度范围内使用 7 2 数据处理 1 零点补偿 Rz 有些使用场合 当传感器