应变式测力传感器设计说明书

应变式测力传感器设计1 前言1.1 研究课题背景及意义应变式测力传感器早已在众多测控领域中得到了广泛的应用，尤其在测量重量方面，其技术已非常成熟。所以，国内外众多科技人员努力争取更大的突破。得到更优良的弹性体结构，非常合适的弹性体材料，合乎测量要求的应变片，完善的测量电路及补偿电路是需要努力的。当然，非常好的外观质量也是一大竞争力。现已有的应变式测力传感器大致有这么几种：桥式、剪切梁式、单点式、柱式、轮辐式、板式、平行梁式、S 型。它们主要用于称重领域。国外企业在以下几个方面进行了许多研究和实验工作，如结构设计、制造工艺、电路补偿及调整、稳定性方面。并取得了一定的进展。这些进展主要包括在设计和计算过程中引入了先进的分析方法，如用计算机拟实技术进行动态仿真和动力学分析及工艺设计过程里运用虚拟技术，对生产工艺进行仿真检验。在弹性体加工方面，使用先进制造技术，将刚性制造转为柔性制造，加工中心、柔性制造系统和柔性制造单元得到普遍采用。在生产过程中尽量采用半自动和自动控制、自动检验程序和计算机网络技术。改进了工艺装备也是主要成就之一。最终提高了应变式测力传感器的稳定性和可靠性。转子在高速运转过程中，由于种种原因，诸如转子的偏心问题，会产生不容忽视的径向力，使转轴的径向误差加大。在自动控制系统中，便需要得到径向力这个信号，然后对执行机构才能进行控制。要得到理想的控制刚度，不仅需要控制系统的稳定可行，测试系统的重要性同样不可忽视。所以，传感器性能的好坏和选取的是否恰当是个非常关键的问题。在现有的径向力测量中，人们并不是直接去测径向力的值，而是将其转化为其它量，比如位移量。然后使用位移传感器进行测量，控制径向位移量便使得径向力引起的问题得到解决。在高速运转的系统中，如磁悬浮系统，人们便广泛采用这样一些位移传感器：电容式传感器、电涡流式传感器、电感式传感器。并都取得了不错的测量控制效果。但是，还不能忽视他们的缺点。电容式传感器，其电容小，容易受到外界诸多因素的影响，在高速旋转的转子系统中其可靠性大大降低。电涡流式传感器相对来讲比较合适，但是当附近存在高频磁场和工作的高频开关器件，它的可靠性也将变得不理想。电感式传感器由于自身的频率响应特性不适合于快速动态测量。其实在转子系统中，转子肯定要有轴承支承。前面所讲都是将传感器作为一个附属测量器件，纯粹起测量作用。考虑轴承的刚度问题和受力问题，一个新的测量方向便产生了，何不设计一个既能其支撑作用，就像轴承一样，又起测量作用个，就像传感器一样。如果要同时具有这两种作用，那么前面所说的电容式传感器、电应变式测力传感器设计涡流式传感器及电感式传感器将不再适用。因为它们和支承这个概念相差太远，也可以说，在开始的设计目的里就压根不存在。那么在前面的系统里除掉这些不适用的传感器，就会只剩下控制系统、轴承及轴承座。很明显，这肯定完不成测控的任务。因为没有测量信号。但是，肯定不许加入传统的传感器产品。不然就违背了这次的设计目的。那只好在轴承或轴承座上做些文章了。测力轴承这一概念也早已有了，国内也有针对性的一些研究。如浙江工学院浙西分校郑家锦写的测力轴承的原理和应用、浙江大学郭明等人编写的测力轴承的研究、湖南大学郭力写出的智能测力轴承的基本原理及应用。测力轴承的基本原理就是将普通的轴承进行结构上一定的改造，粘贴上应变片，接到后续测量电路中去，完成在线测控。后来经过研究，陶瓷球轴承用来做测力轴承功能上比较理想，它属于一种低温升、刚度高、转速高、寿命长的一类高速轴承。但是成本高，影响应变的因素比较多，测量复杂。武汉理工大学王晓光等写过一篇名为力控制磁悬浮硬盘驱动器的研究，在这篇文章里提到了一种新结构，即十字梁结构。这种结构在机器人腕力传感器中比较常用。中国科学技术大学干方建等人也写过关于这种结构的文章，如一种应变式多维力传感器的优化设计、一种应变式六维力传感器的动态设计。在文中，作者进行了深入的分析研究。将这种结构运用到轴承座中便是此次设计的切入点。1.2 设计任务及要求这次的设计任务是基于实验室转子试验台设计出可以测量径向力的应变式测力传感器。设计工作主要包括传感器弹性体的设计、应变片的选择、粘贴方法、电桥的设计、后续测量电路的设计及测试系统误差分析。最大径向力为 11.7N，测量转速 6000r/min，测量误差小于 1%。要能测量被测信号的二次谐波。1.3 设计内容应变式测力传感器主要由两大部分组成，一是机械部分，二是电子电路部分，即信号处理电路。机械部分由弹性体和应变片组成。其基本工作原理就是弹性体发生弹性变形，由应变片将应变量以电阻变化量的形式输出。测量电路可识别的信号一般为电压或电流量。由于设计的是应变式测力传感器，一般为电压输出。在这里采用惠斯通电桥，这种输出形式可以放大人们想得到输出信号，提高灵敏度。合适的布片位置可以消除一些因素的影响，如弯矩、横力、温度等因素。测量电路考虑使用集成运放元件，因为它的综合性能比分立放大元件优良并且设计简便。机械结构设计部分动态性能分析由有限元分析软件辅助进行，电路仿真由 EWB 实现。对应变式测力传感器的设计主要围绕以下几个方面：弹性体材料的选择、弹性体的结构设计、弹性体的加工工艺、应变片的选择、粘结剂的选择、应变片的粘贴、测量电路的设计。应变式测力传感器设计1.3.1 设计内容详述弹性体的变形与载荷的关系应该是线性的，或者说线性度非常高，并且每次的载荷变形曲线重复性要好，材料的弹性滞后和蠕变应该比较小才好。作为弹性体材料应该还要具有高强度，高的弹性极限，高的冲击韧性，低并且稳定的弹性模量温度系数，热处理后应该要具有均匀的稳定组织，从而具有各向同性，弹性体的灵敏度便比较稳定。抗氧化、抗腐蚀也要考虑在内，这也关系到传感器工作的稳定性和可靠性。高弹性合金及恒弹性合金是常用的弹性合金。其中铜基合金较早开始使用，但它不能耐高温，耐腐蚀，所以后来逐渐被取代。高弹性合金的弹性模量受温度影响比较大，从而会产生较大的温度误差。于是，恒弹性合金作为弹性元件材料比较理想，在一定的温度范围中，它的弹性模量温度系数比较小。其实弹性体的材料不可能同时满足所有的要求，只能具体情况下综合测量因素进行考虑选择。目前国内常用的弹性体材料是合金结构钢，像 40Cr。在测量精度要求不高的地方也有使用 45 钢的。弹性体的结构设计也要根据测量条件进行，确定载荷的分布形式，仔细分析，确定可以得到合适灵敏度，合适刚度，合适动态特性的结构。关键是在确定了弹性体的材料、结构之后怎么制造出来合乎使用要求的实物。对弹性体材料进行必要的热处理可以得到比较理想的弹性体，像 40Cr 具有良好的淬透性，可以得到良好的机械性能。为得到具有长久稳定性和高精度的传感器，消除机加工和热处理产生的残余内应力也很重要。主要有以下几种方法可以消除弹性体的残余内应力：时效、退火、反复加载、和机械振动、冷处理。时效包括长期自然时效和人工时效。退火温度高于回火温度，有较长的保温时间，会得到比较好的效果。在应变式传感器贴片后进行加载，可以完善传感器的特性。应变片也称电阻应变计。应变片一般由敏感栅、引线和基底组成。应变片分为金属应变片和半导体应变片。金属应变片又分为体型和薄膜型。体型进一步分为丝式和箔式。应变片主要有以下优点：电阻变化率 /R 和应变量有很好的线性关系，即非线性占得比重非常小，有很小的几何尺寸，有很大的测量范围，动态响应特性也很好，非常小的测量误差，可以将测量信号相加或抵消，测量范围广，可以在恶劣的环境下工作使用，有好的稳定性和可靠性，成本低。当然也具有一些缺点：在测量大的应变量时会有明显的非线性误差影响，不能如实反映应力场得分布状况。半导体应变片和前面提及的常规应变片相比，具有相当高的灵敏度，但稳定性不如前者。应变片需要有粘结剂才能固定在弹性体上。就是说应变片并不是直接和弹性体相接触的，两者中间还有一层胶层。应变传递顺序应该是先弹性体到胶层，最后到应变片。所以说粘结剂非常重要，因为它关系到应变能否正确地传递到应变片上去。粘结剂分为天然的和人工合成的两类。合成的又分为有机的和无机的。有机粘结剂应变式测力传感器设计最为常用。应变片的粘贴也是有一定要求的，它一般主要包括以下几步：试件表面清理、粘贴应变片、固化、安装连接线、质量检查、设保护层。表面清理是为了牢固地黏住应变片。它需要除去表面的油污、锈层，再用砂布打磨，达到一定的光洁度，还要在表面上划出定向标记，方便粘贴。清理完后并不需要立刻粘贴，要涂上一层凡士林作保护，粘贴时再去除，对表面进行最后的清洗。当应变片粘贴在弹性体上后，在固化前要进行初步的质量检查，即用万用表检查是否出现短路及断路问题。没有问题后再进行固化。固化后再检测胶层的绝缘电阻，绝缘电阻的变化会导致电桥的输出产生一定的误差，绝缘电阻高了为好。应变片暴露在空气中会因吸水而破坏，所以需要进行应变片的保护。环氧树脂制成的基底有很好的耐湿性能。在应变片上涂上中性凡士林，也是一种保护措施，有效期为几天。在上述步骤之后，便要将应变片接到测量电路里，电桥输出电压信号，此信号非常微弱，要进行放大，并且其频率太低，不易测量，所以还需要调制，最终电桥输出为调幅波，然后经放大电路放大，再由相敏检波电路、低通滤波电路输出测量信号。应变式测力传感器设计2 弹性体设计2.1 弹性体结构形式的确定弹性体结构形式的选择要依据测量的各种条件进行。在这次设计中，要要测量转子的转速为 6000r/min,转盘上离转轴中心为 33mm 处有 3 个 0.3g 的偏心块。根据径向力公式(1)2mRFr可以得到转子在 6000r/min 时，可以达到的最大径向力 为maxrF11.7(N) (2)2max603.r径向力大约也以转速 6000r/min 的速度在圆周方向上变化，直接测量出径向力的大小非常困难。由于力是矢量，便具有这样一个优点，它可以被分解或合成。因此当合力难以测量时，可以测量其分力，然后根据他们之间的关系再合成在一起，便达到了测量的目的。所以将径向力分解为 X、Y 两个方向的分力，由传感器测量电路两个通道分别输出。这样便将复杂交变的合力转变为单方向变化的力。宏观上看，测量单个分力就如同测量拉力和压力。问题从理论上看便迎刃而解了。这次设计的应变式测力传感器不仅要能测量，还要起到支撑的作用。所以想用传统的拉压力测量传感器不能满足要求，不能实时的连续监测径向力的大小。在前言中已提到十字梁式的结构，这种结构是比较理想的。应变式测力传感器设计图 1 初步设计的十字梁结构十字梁结构就可以实现二维力的测量，相对的两个梁，它的受力状态正好相反，即一个梁受拉力作用时，另一个梁受压力作用，基于这种特点，利用电桥的和差特性就可以提高电桥的应变输出水平。图 1 所示的具体结构，如一段梁有两种结构形式，圆形截面和方形截面，圆形横截面积大于方形横截面积，圆形截面积用来提高支承刚度，方形截面积便于粘贴应变片，并且变形量变大。但是由于结构尺寸相对较小，中间弹性体与外支架做成一体的形式，加工困难。所以，十字梁结构可以采纳，但是要改变它的具体结构形式。图 2 改进的十字梁结构它和外架是分开的，并且梁的截面统一为方形的，这样便于加工。贴片位置仍然不变。仍具有十字梁的测量优势。图 3 传感器装配图应变式测力传感器设计图中 1 为传感器外架，2 为挡块，3、4 为螺钉，5 是弹性体，6 是粘结剂，7 为箔式应变片，8 为端盖。图 3 即为新设计的十字梁式传感器装配图，从图中可以看到应变片 7 的布片位置，这种布片方式的优势在于，它可以消除横力的影响。同一根梁上的应变片接到全桥的相对桥臂上，则拉伸或压缩应变相叠加，而横力产生大小相同，方向相反的应变，叠加之后为零，从而消除了横力的影响。而且由于采用了这种装配结构，与前面的整体式相比，在材料使用上显得更灵活，弹性体用来测量拉压力，故采用比较好的材料 40Cr，而传感器外架仅起到支撑作用，采用 45 钢，总的来讲，在不改变传感器测量性能的前提下，降低了成本。以上是从这种传感器的总体工作原理方面进行的阐述，原理上它可以完成测量和支承的作用。下面将深入分析它的可行性。2.2 弹性体结构计算分析在设计时，应该先有一个总体设计，就像上面所说的那样，先从原理上讲通。然后再着手细微处进行设计。有时候一种设计原理上可行，并不代表实际可行。这就需要对已有的设计结构再进行细致的计算分析，最终使理论设计符合实际使用要求。这也是下面将进行的工作。2.2.1 结构强度分析已知实验室转子试验台的轴承座使用 M5 的内六角螺钉进行固定，由前面的计算已知最大径向力为 11.7N，则可以对原有轴承支座的刚度进行估算。刚度 k0 可以由下式得到(3)0lAEk其中， 为螺钉材料的弹性模量， 为螺钉的横截面积， 为螺钉的长度。0E 0l则代入数据可得(N/m) (4)81013.25k即使轴承支座的刚度大于 1.3108N/m，但支承刚度取决于最低的部位，所以可以认为这个数值就是这个系统的支承刚度。那么新设计的传感器的支承刚度应该与这个数值相当。考虑到 M5 的内六角螺钉其横截面积尺寸已满足使用强度要求。所以新设计的应变式测力传感器的十字梁横截面积应与 M5 的内六角螺钉的截面尺寸相当。在这里暂取横截面积为 36mm2,即长、宽分别为 6mm。十字梁为传感器的弹性体，从而也是刚度最低的部分。材料使用 40Cr，同样利用公式(3)可得传感器的支承刚度 1k应变式测力传感器设计(N/m) (5)811 102.35608.2k由此可知 ，即满足强度要求。1k2上面的计算结果表明，设计的传感器仅在静力学特性上符合使用要求。由于测量的转轴在高速旋转，那么传感器还要满足动态特性方面的要求。接下来将进行动态特性方面的计算。轴在旋转过程中，会对传感器产生交变应力，交变应力不会超过 11.7N,为了保证足够的安全系数，就暂且认为交变应力为 11.7N。由应力公式(6)AF可得= =0.325(Mpa) (7)max367.1-0.325(Mpa) (8)in已知材料抗拉强度 =100107Pa，持久极限 =400Mpa，由安全系数公式b 1(9)maxn可得规定安全系数 (10)325.04所以，通过以上强度分析，所设计的应变式测力传感器满足支承所该达到的要求。无论在静力学特性方面，还是在动力学特性方面，都满足强度要求。这是结构强度分析所得到的基本结论。2.2.2 传感器弹性体动态特性分析已知转子转速为 6000r/min，则频率为 100HZ，二次谐波频率为 200HZ。测试系统要实现不失真测量，那么测试系统的每一个环节都应尽量实现不失真测量。对于传感器测量系统的基础环节弹性体，其动态测试性能也要满足要求。对于系统的特性，可以通过频率响应函数来进行描述评价。但对于像弹性体这样的机械结构，可以运用实验建模、数值建模、解析建模。在相关文献里，有一种关于十字梁的建模，运用的是解析建模，在建立动力学模型时，把十字梁看作欧拉伯努利梁。计算过程及计算量比较大，并且复杂，而且得到的固有频率有一定的误差。在这里首先运用文献里已得到的结论，对新设计的传感器结构动态特性进行类比估算。在文献里，有这样的结论，即十字梁的截面尺寸会显著影响体统的固有频率，十字梁的长度也会影响固有频率，当长度增加，固有频率下降。弹性体靠近轴的中心台部分的尺寸的变化仍影响到固有频率，若其尺寸变大，固有频率就会降低。应变式测力传感器设计弹性体的材料对固有频率也有影响，如材料的弹性模量提高，就有利于提高固有频率。这些都是重要的结论，可以帮助人们对类似的设计结构先有一个大概的总体了解。材料中，所使用的传感器材料为 LY12 铝合金，十字梁的长度为 35mm，梁的横截面尺寸的长、宽分别为 6mm、5mm，中心台尺寸，其大径为 60mm，小径为30mm。得到的一阶固有频率为(沿十字梁的垂直方向)5899HZ，沿中心台轴线方向(垂直于十字梁轴向和横向)一阶固有频率为 1173HZ。在本文中，新设计的传感器的尺寸如下，使用 40Cr 制造中心台及十字梁，十字梁长度为 35mm，横截面长宽尺寸分别为 6mm，中心台外径为 55.5mm，内径为 15.5mm。通过上述尺寸的对比，可知新设计的弹性体的固有频率在上述频率值附近。上面使用了类比的方法进行了总体上的认识分析，当然，它不具有足够的说服力。下面运用有限元分析软件对新设计的传感器结构做细致的分析。本次设计使用的软件为 ANSYS10.0，进行这次分析先使用 SolidWorks 新型实体建模，然后导入到有限元软件中去。软件进行分析前，要知道所使用的材料的弹性模量、密度。这次设计的传感器的十字梁、中心台使用 40Cr 材料，外支架使用 45 钢。分析结果如下图所示。图 4应变式测力传感器设计图 5图 6图 4 到图 6 是所设计模型在有限元软件中的摆动情况，上面为沿中心台轴向的摆动，其一阶固有频率为 790.693HZ。信号的二次谐波频率为 200HZ，一阶固有频率是二次谐波频率的 3 倍以上。传感器的动态测量特性是符合要求的。由测试技术中可知，要测量信号的频率小于系统固有频率的 0.3 倍，系统是一种比较理想的不失真测量系统。下图为另一方向的一阶固有频率。应变式测力传感器设计图 7图 8应变式测力传感器设计图 9图 7 到图 9 为沿垂直于中心台方向的摆动，其一阶固有频率为 1955HZ。比前一中振动其情况的频率更高，说明此方向的动态特性更符合要求。软件虽然只给出了这两个方向的振动，其它方向的振动频率远大于这两个方向的频率，所以综上所述，新设计的弹性体结构其动态特性是符合测量要求的。应变式测力传感器设计3 电桥及后续电路设计分析3.1 电桥设计及分析设计完传感器的弹性体之后，就要考虑如何布置应变片，选择什么样的应变片。在这里先讨论如何布置应变片。应变片的布置要考虑应力场的的分布情况，如何消除非测量信号的影响，这又与电桥的特性相关。在这里，电桥将电阻变化量转换为电压输出。电桥的测量电路原理简单，性能可靠，具有很高的精确度及灵敏度，所以在此采用电桥测量。3.1.1 十字梁受力分析计算在前面的章节里，提到测量信号是高速周向变化的径向力，直接难以测量，将其正交分解为两个相互垂直的分力，分别测量。相互垂直的十字梁结构，就起到这样的作用，将合力分解。所以每根梁仅受到拉力、压力的交互作用。一个方向上的分力在理论上对其垂直方向没有影响，但是有弯矩影响。如果布片不合理，并不能测到理想的单方向分力，电桥的输出中还有弯矩的贡献，即发生了力的耦合现象。已知最大径向力为 11.7N，轴的转速为 6000r/min。示意图如下XY径向力合力图 10 径向力示意总之，通过上面分析可知，十字梁受拉力、压力、横向力。3.1.2 电桥设计计算电桥的连接形式分为单臂电桥、半桥、和全桥。众所周知，电桥一共可以有 4个桥臂，当其中只有一个桥臂工作时，就为单臂电桥形式。相邻桥臂工作时就是半桥形式，那么四个桥臂都工作时，就成为全桥形式了。这里所说的工作，就是指将应变片接入到电桥桥臂中，应变片的变化就为电桥中电阻的变化，然后电桥就会有不平衡电压输出。这也是测量信号的转变原理。假定电桥的桥压为 UI，由测试技术应变式测力传感器设计里面的分析结论可知，全桥的灵敏度最高，并且有这样的结论(11)IOURRU)(41432式中， 、 、 、 分别为第一、二、三、四桥臂的电阻应变片， 为输出电1R23 O压。这中性质就是电桥的和差特性。下面将对本模型进行分析。在这里假定图 3 的水平方向为 X 轴，向右为正方向，竖直方向为 Y 轴，向上为正方向。X 轴方向有两个应变量，一共需要 4 片应变片，应变片沿着梁的轴线贴在梁的侧面，如图 3 所示。电桥连接成下面的形式UIUOR1 R2R3R4图 11 电桥结构形式图中 、 是 X 轴正向梁两侧的应变片， 、 是负方向梁两侧的应变片。1R3 2R4这样布片的好处有这么几点，一是可以增大输出量，二是应变片之间互为温度补偿，三是可以消除横向力 FY 所产生的弯矩的影响。 、 在径向力 X 方向分力的作用13下，同时产生拉应变、压应变，大小和符号都相同。 、 变化与之相类似，只是2R4符号和 、 的应变符号相反。在分力 FY 的作用下， 、 产生大小相等，符号1R3 13相反的应变，这个应变不是想测量的信号，所以利用上述原理可以抵消为零，从而消除了横向力的影响。由于在此选取的 4 个电阻应变片的型号属性都一致。那么温度产生的影响将因为全桥这种结构而抵消。使用电桥进行测量，为了保证测量精度，要确保电桥在没有信号输入的情况下，其输出为零。电桥按桥压的性质又分为直流电桥和交流电桥。直流电桥的平衡条件应变式测力传感器设计为= (12)1R324交流电桥的平衡条件为(13)4231Z其中 为各个桥臂的交流阻抗。1Z4由公式(13)可知，交流电桥的平衡，不仅要考虑电阻的平衡，还要顾及电容的平衡。在次，将采用交流电桥进行测量。因为直流电桥测量，其直流放大电路存在零漂，会造成信号的失真。对于交流放大，可以很好的解决这个问题。参考国产动态应变仪 Y6D-2 的设计，对于这次设计中的电桥采用下面这种结构图 12 电桥结构其中 C3 及与其串联的电位器用于调节电容平衡，电位器 与 调节电阻平衡。2R1根据公式(14)EAF可得到传感器灵敏度为(15)KUSIO在这里选用 BX120-2AA，K=2.18， 的幅值 10V，带入上式可得 =2.78V/N。又I S知最大径向力为 11.7N，那么电桥的最大输出为 32.5V。通过计算可以确定，理论上的电桥输出范围是 032.5V。可见，这个信号是非常微弱的。需要后接放大元件。3.2 后续电路设计及分析UIUO应变式测力传感器设计由上面的分析可知，桥压需要交流性质的，其频率应该为测量信号最高频率的510 倍。又知道二次谐波频率为 200HZ，那么桥压的频率应该为 2000HZ。已经算出电桥的输出电压范围，其最大值仅为 32.5V，还需要经放大电路进行放大，输出信号还是双边带条幅波，那么放大之后还要进行相敏检波，最后经低通滤波器除去高频信号。3.2.1 振荡源的设计测量电路中大多采用两种振荡源，一是 LC 选频电路，二是 RC 文氏振荡源。前者选择性比较好，但是体积大。故在满足使用条件时，大多采用后者。在电路中引入正反馈时，电路会在没有输入的情况下会有某一频率及幅值的输出，这是一种自激振荡。很多时候这是一种不理想的工作状态，人们常常设法去避免这种现象的产生。其实，它也可以用来为工程服务。刚刚提及的振荡源就是基于这种原理诞生的。设电路的基本放大倍数为 A，反馈电路的增益为 B。形成一定的振荡时，有下列公式成立(16)BOU其中 是电路的输出信号， 是反馈到输入端的信号，又有OU B= (17)O综合公式(16) 、(17) 可得AB=1 (18)这是自激振荡的平衡条件。又因为， (19)AB由(18)、(19)可得， + =2n (20)1BAB这个公式表示了幅度和相位达到平衡时的条件。以上是对振荡达到平衡状态时的讨论。但在开始时，振荡是如何产生的又是另一个问题。当有激励源加到振荡电路上时，在振荡电路的输入端会产生一个微小起始信号。由于放大电路和正反馈电路环节的作用，起始信号的幅值连续得到放大。由于放大电路存在非线性区，幅值会稳定在某一数值上。通过这一过程，我们可以得到这样一个条件，即 1。在这里运用振荡源，目的是想得到幅值一定，频率一定的谐AB波，但是起始信号是个随机信号，其中含有大小不一的频率。如果选取其中的某一频率，就可以达到目的了。所以一个振荡源还应该有选频电路，符合要求的信号逐应变式测力传感器设计渐得到增益大于一的放大，其它频率的信号会因为增益小于一而被衰减掉。基于上述原理，可以构建一个大概的 RC 振荡原理图，如下+- OUBUZ1Z2RCRCR1R2图 13 RC 文氏桥振荡电路通过上图可以得到= = (21)OBU21ZRCj13让式子中的 = ，上式可以化简为RC10(22)031jB通过这个公式可以得到文氏桥的幅频特性，当 时，可以满足自己振荡的平衡0条件。故，文氏桥的振荡频率为 。为了起振，基本放大电路的增益 A 应RCf210该大于 3。上图中的 A=1+ ，所以， 。以上便是设计合适文氏桥的理论基121础。针对这次设计，需要一个幅值为 10V，频率为 2000HZ 的振荡源。那么有=7.9610-5 s 。令 R=10K，则 C=8000pF。选用 741 集成运放为放201RC大元件，741 的性能一般适用于大多数放大电路，比较普遍的得到应用。仅使用图13 所示的结构不能有效的得到不失真的振荡信号。经查阅相关文献，发现可以在基本放大电路的负反馈回路上并联两只二极管，再适当调整负反馈中电阻的比值可以得到不失真的震荡信号。其原理就是，输出电压增大到一定程度时，二极管导通，正反馈回路中的增益变小，使得 AF1，又使输出电应变式测力传感器设计压变大，基于这种控制，使得输出电压幅值稳定在某一值上，并且，基本放大电路工作在线性放大区，从而有效的抑制了输出信号的失真。根据以上理论和计算，使用 EWB 制作的电路如下图 14 振荡源电路使用 EWB 进行仿真，得到幅值约为 10V，频率约为 2000HZ 的谐波。其结果如下图 15 振荡源仿真结果3.2.2 放大电路的设计前面已经算出电桥的最大输出电压为 32.5V，需要进行放大。在这里设计了一个放大倍数为 500 的放大回路，集成运放器件选用 741。由于电桥的输出信号为电压信号，那么后接电路的输入阻抗越高越好，这样信号衰减程度很小。所以，放大电路的第一级为电压跟随器，如下应变式测力传感器设计图 16 电压跟随器放大电路要放大 500 倍，考虑到电阻选用及电路稳定问题，采用两级放大，第一级放大 50 倍，第二级放大 10 倍。图 17 增益为 50 倍放大器电路增益公式为(23)1RAF图 17 中的 R1 为 0.1 千欧，R F 为 5 千欧，带入上式可得放大倍数为 50。同理，对于增益为 10 倍的放大器，其电路的原理和结构与之相似。只要改变 R1 和 RF 关系，就可以得到理论上想得到的放大倍数。和集成运放的正输入端相连的电阻起到平衡作用，它的电阻值要和负输入端的电阻值等效。应变式测力传感器设计图 18 增益为 10 倍的放大电路将图 17 和图 18 串联，就可以得到 500 倍的放大电路。3.2.3 相敏检波电路设计此次测量电路使用调制解调的方法进行工作。所以，在放大电路输出的信号为放大了的双边带调幅波。要还原被测信号，需要进行解调。很多电路一般使用二极管整流电路，但是这种电路需要两个变压器，而且还要严格调整调幅波与参考电压之间的相位、大小关系。电路复杂，体积大。鉴于此，在这里采用开关型相敏检波电路。它由过零比较器、N 型 JFET 元件集成运放组成。图 19 相敏检波电路图中 UI 是振荡源的信号，U II 是放大器输出的调幅波，U O 是检波后的输出。在此图中的过零比较器的负输入端，并联上两只二极管，可以保护 741 元件，还可以保证UIUOUII应变式测力传感器设计输入点的电位为 0，使这个电路的性能更好。图 20 无二极管的检波输出图 21 有二极管的检波输出图 20、图 21 测得是同样的信号，示波器的设置参数也一样，虽然图 20 的输出幅值大一些，但是检波效果明显不如图 21 所示的好。两图所测信号的幅值为 3.2V ，经仿真实验可知，在幅值较大时，两种检波效果都不错，但是这次测量量幅值很小，用后者电路比较好。这种检波电路的工作原理是，过零比较器产生的方波控制 N 型栅极管的通断，使电路中的放大倍数为 1 或-1，从而实现双边调幅波的前半周期的负半部分上翻，后半周期正半部分下翻，实现了检波功能。3.2.4 滤波电路的设计在得到检波的输出后，还要进行滤波，因为检波后的信号含有高频成分，并不是要测量的信号，相反，测量信号的频率要低得多。所以需进行必要的滤波。滤波电路分为有源滤波和无源滤波。经仿真对比发现，在这次测量任务里，两种效果相当。从成本和电路复杂程度上看，无源滤波，成本低，电路简单。这次测量仅需要得到 200HZ 及以下的信号。有公式(24)RC10可以用来确定滤波器的参数。由于无源低通滤波器的幅频特性在滤波阶段不是理想的直线，故滤波上限取为650HZ。这样可以尽量使得 200HZ 及以下的信号处于线性工作区。应变式测力传感器设计 1UOURC图 22 滤波原理图那么由公式(24) 可得，R=2000,C=800nF 。3.2.5 总电路仿真结果上面是对测量电路的各个部分的设计，下面将把他们组合起来，进行整体仿真。为了说明此电路可以测量 200HZ 的信号，由 EWB 中的函数发生器模拟电桥输入信号，调制过程由乘法器进行模拟，乘法器的系数 K=1。图 23 函数发生器输出信号图中的幅值为 32V，频率为 200HZ。显示时间基数为 2ms/DIV。幅值基数为100V/DIV。图 15 的时间基数与之一样，幅值基数为 10V/DIV。图 24 调幅波图 24 中的显示时间基数同上，幅值基数为 1mV/DIV。图 25 放大 500 倍后的调幅波图 25 中时间基数同上，幅值基数为 200mV/DIV。可见设计的放大电路符合理论要求，经测量，调幅波最大幅值为 64V，放大后为 32mV。之间的比值为 500。应变式测力传感器设计图 26 检波输出图 26 中的时间基数同上，幅值基数为 200mV/DIV。图 27 滤波后的输出图 27 的时间基数同上，幅值基数为 50mV/DIV。下面进行电路误差计算，原始信号到滤波后输出主要经历了一下过程：调制、基本放大、检波、滤波。经测量，滤波后信号幅值约为 71.703mV，这个值是在取一系列平均值及考虑调制、基本放大、检波、滤波的影响下得到的估算值。这样，就可以将前面的电路的参数按照理论计算值对待。振荡源幅值为 10V，放大电路增益为 500，检波电路增益为 1，滤波电路增益为 0.4455。那么算式71.7030.445550010=32.1899 (V) (25)相对误差为 =0.6%0189.32综上所述，所设计的测量电路原理上可行，测量误差也在接受范围之内。应变式测力传感器设计4 结 论通过前面章节的分析计算，可以知道，本文中所设计的应变式测力传感器，无论是机械结构还是测试电路，在原理上是可行的。这次设计的应变式测力传感器可以完成双重作用，即支撑和测量。机械结构方面，传感器可以产生可测量的应变，并且由于采用了十字梁结构，使得径向力的测量转变为二维力的测量，方便了测量。十字梁的刚度与试验台轴承座用的 M5 内六角螺钉的刚度相当，即满足了支撑原转子的要求。对于直径 9.5mm，长度 500mm 的转轴，并且其上面分布有两个转盘的转子结构，新设计的传感器可以承担。测量电路方面，可以在允许的误差范围内，完成测量 032.5V 的微弱信号的输出。对于 2000HZ