电阻应变式拉力传感器的设计.doc

武汉理工大学传感器原理及应用课程设计说明书武汉理工大学课 程 设 计 题 目：传感器原理机应用课程设计 电阻应变式拉力传感器的设计 学院： 机电工程学院 专业： 测控技术与仪器 本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别 专业、班级测控技术与仪器课程设计题目：电阻应变式拉力传感器的设计 课程设计答辩或质疑记录：1. 应变片的电阻值如何选择？为什么？答：应变片的电阻值选择350，因为电阻值相对大些可以提高测量精度，提高测量电路的输出电压，此外还要考虑电阻丝的发热对测量结果的影响，综合考虑，选择350的电阻值比较适宜。2. 为什么选择三运放放大电路？ 答：因为测量过程中伴随有很高的共模电压，采用三运放高共模抑制比放大电路可以较好的抑制测量电路中伴随的共模电压，放大差模电压，同时可以满足增益大要求。3. 为什么要进行温度补偿？答：因为电阻值随温度变化产生的误差非常大，数量级快达到电阻应变产生的误差，因此式样过程中必须进行温度补偿，补偿方法有应变片自补偿法和线路补偿法。成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 测控 指导教师： 戴蓉、王春麟 工作单位： 机电学院测控系 题 目： 电阻应变式拉力传感器的设计 初始条件：采用电阻应变片设计一种电阻应变式位移传感器，设计要求工作温度范围：-30150；工作频率1KHz，检测范围：；灵敏度：。根据测量的需要选择应变片的型号、数量、粘贴方式以及弹性元件的结构形式。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥；2. 选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并根据测试极限范围进行校核；3. 完成传感器的外观与装配设计；4. 完成应变电桥输出信号的后续电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；5. 按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000字左右）；6. 按机械制图标准绘制弹性元件图（4号图纸），机械装配图各一张（3号图纸）；时间安排： 序 号 内 容所 用 时 间1布置课程设计任务.查阅资料 1天2弹性元件设计 2天3敏感元件设计 1天4测量电路和图纸 4天5误差分析 1天6撰写设计说明书 1天 合 计 10天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日33厚德博学，追求卓越目 录1 绪论11.1 相关背景11.2 设计概述22 方法论证3 2.1电阻应变式拉力传感器测量原理及其特点 3 2.1.1 测量的原理 3 2.1.2 测量方案 4 2.1.3 测量特点 42.2 弹性元件的选择 4 2.2.1 柱式力传感器 5 2.2.2薄壁圆环式力传感器 6 2.2.3 梁式力传感器 6 2.2.4 轮辐式剪切力传感器 82.3 应变片的选择 103 相关理论分析计算及部件设计 113.1 基本的理论分析 113.2 弹性元件的尺寸设计 123.3 应变片的计算 123.4 电阻值的取值 133.5 应变校验 133.6 联接结构的设计 143.7 壳体的设计 143.8 防尘的设计 144 测量电路原理分析及设计 154.1 电桥电路原理 154.2 转换电路和信号放大电路 164.2.1 电桥转换电路 164.2.2放大电路和共模补偿电路 174.2.3 电路调零调幅电路 204.2.4 滤波电路的设计与参数计算 204.3各部件之间的输入输出关系 214.4抗干扰的措施 225 误差来源与精度分析 235.1 误差来源 235.2 数据处理 236 应变片的粘贴方法 256.1 弹性体应变区的打磨 256.2 划定位线 256.3 表面清洗 256.4 选片 256.5 绷片 256.6 帖片 266.7 固化 266.8 帖片质量检查 26总结 27参考文献 291 绪 论1.1 相关背景人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。传感器技术在当代科技领域占有十分重要的地位。所谓传感器就是能够规定的被测量并按一定规律转换成可用于输出信号的器件或装置。传感器的种类很多，其中的电阻应变式传感器就是应用及其广泛的一种。1.2 设计概述传感器技术在当代科技领域占有十分重要的地位。所谓传感器就是能够规定的被测量并按一定规律转换成可用于输出信号的器件或装置。传感器的种类很多，其中的电阻应变式传感器就是应用及其广泛的一种。 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： （1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； （2）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； （3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；（4）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。本课题所研究的方向为电阻应变式拉力传感器及其转换放大电路的设计。设计目的和意义：根据力传感器的测力范围和称量精度，合理选择电阻应变片材料、阻值和粘贴方式，并根据需要将之接成半桥单臂、半桥双臂或全桥形式，由于电桥输出电压较小，需经测量放大器放大至伏继级电压，以便后接仪表或为A/D转换所用。主要的技术指标：测力范围，称量精度：1。应用范围：电阻应变式拉力传感器广泛应用于自动控制和质量控制，称重系统，闭环控制，纺织机械，检测机械的闭环控制，质量控制，自动化机械，起重机，运输工具，钻井工具，印刷机，金属，橡胶，纸等机械上。产品介绍：既有一般应用的产品，也有适合特别应用的产品。产品有各种型号，既有超小的，也有柱状的，能适合各种各样的应用。2 方法论证2.1 电阻应变式拉力传感器测量原理及其特点2.1.1 测量的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。测量基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，亦即利用金属的电阻应变效应（即应变片的电阻随其本身的形变而发生变化），将测量物体变形转换成电阻变化，再经转换电路变成电量输出。 引起的阻值变化，伸长量，电阻率变化量，横截面积的相应减小量；则有： (2-1)为轴向应变，用表示，径向应变为,则=-（），则(2-1)式可写成：=（1+2+）= (2-2)称为金属电阻的灵敏系数，其受两个因数影响，一是（1+2），它主要是材料的尺寸变化引起；另一是，它主要材料的电阻率随应变引起。对于金属材料而言，以前者为主，实验表明，在金属电阻应变拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。当弹性元件受外力作用时，发生机械变形，敏感栅也随同变形，其阻值发生变化，通过转换电路转换为相应的电压或是电流的变化，由(2-2)式可得到被测对象的，根椐引力关系：，可测得。2.1.2 测量方案图2.1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。2.1.3 测量特点电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变片传感器。虽然新型的传感器不断出现，为测试技术开拓了新的领域。但是，由于电阻应变测试技术具有以下独特优点，可以预见在今后它仍是一种主要测试手段：1) 结构简单、使用方便，性能稳定、可靠；2) 易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远程测试和遥测；3) 灵敏度高，测试速度快，适合静态、动态测量；4) 可以测量多种物理量；它已广泛应用于多个领域，诸如航空、机械、动力、化工、建筑、医学等。2.2 弹性元件的选择当外界载荷（力、力矩或压力）作用于物体上时，其形状和参数将发生变化。这一过程称为物体的变形。当去掉外界载荷后，物体变形为零，这种变形称为弹性变形，这种物体称为弹性元件或弹性体。在传感器中，通常利用弹性元件直接感受被测量，作为测量过程的最前端。这样的弹性敏感元件，即利用弹性变形实现测量机理的元件就是弹性敏感元件。弹性敏感元件是传感器、仪器仪表的核心，在传感技术中具有非常重要的作用。传感器中常用的弹性敏感元件主要有：梁、柱体、弦丝、平膜片、波纹膜片、膜盒、壳体、弹簧管、波纹管、弹性管等。在实现测量过程中，根据不同弹性敏感元件的结构特点，可以利用其在外界载荷作用下引起的位移、应变、应力的变化规律直接进行测量；也可以利用其在外界载荷作用下的等效刚度、等效质量或等效阻尼间接进行测量。2.2.1 柱式力传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，图2.2 柱式力传感器如图2.2，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，而空心圆柱一般取，式中为圆柱体高度，为圆柱外径，为空心圆柱内径，为应变片基长。贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接，如图2.2所示，其特点是、串联，串联并置于相对位置的臂上，以减少弯矩的影响。横向贴片作温度补偿用。柱式力传感器的结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达。在测时，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。2.2.2薄壁圆环式力传感器 圆环式弹性元件结构也比较简单，如图2.3所示。它的特点是在外力作用下，各点的应力差别较大，环上的弯矩分布，如图2.3所示。薄壁的厚度为，外径为r，宽度为b，对于的曲率圆环，在载荷F作用下， A、B两点的应变可用下式计算:, （2-3）可采用如图2.3所示的贴片方式。其非线性误差可达0.2%。测量时，上下受力点必须是线接触。图2.3 薄壁圆环式力传感器2.2.3 梁式力传感器 梁式力传感器有多种形式，如图2.4所示。图(a)为等强度梁，力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，故对在方向上粘贴应变片位置要求不严。图(b)为等截面梁，其特点为结构简单，易加工，灵敏度高。适合于测以下的载荷，也可以测量小的压力。但是因表面沿方向各点的力分布不等，对四个（或两个）贴片的位置要对称。图(c)为双孔梁，多用于小量程，如工业电子称和商业电子称。图（a）图（b）图（c）图2.4 梁式力传感器2.2.4 轮辐式剪切力传感器 轮辐式传感器如图2.5所示：图2.5 轮辐剪切式力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P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。这是一种较新型的力传感器，其优点是精度高、滞后小、重复性及线性度好、抗偏载能力强、尺寸小、重量轻。本设计使用空心圆柱式敏感弹性元件，适用于，并且可提高变换灵敏度和抗横向干扰。 具体的结构形式如图2.6所示。图2.6 空心圆柱式弹性元件结构形式图参照新编传感技术手册可得下表：表2.1 弹性元件材料参数表材料铍青铜QBe2174PH不锈钢恒弹性合金3J53密度8.257.808.0屈服极限103018501250弹性模量线膨胀系数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-根据应变式拉/压传感器的使用特性和性能指标，本设计使用174PH不锈钢作为弹性元件的制造材料，主要原因是174PH不锈钢具有以下优点：17-4PH合金是沉淀、淬水、马氏体的不锈钢，和这个等级具有高强度、硬度（高达300 0 C/500 0 C）和抗腐蚀等特性。经过热处理后，产品的机械性能更加完善，可以 达到高达1100-1300MPa (160-190 ksi) 的耐压强度。这个等级不能用于高于300 0C (572 0F) 或非常低的温度下，它对大气及稀释酸或盐都具有良好的抗腐蚀能力，它的抗腐蚀能力与304和430一样。由于174PH不锈钢具有以上特性，所以比较适合于用作应变式拉/压传感器的弹性元件材料。2.3 应变片的选择常用的应变片性能比较：表2.2 应变片性能参数表金属应变片薄膜应变片厚膜应变片应变片厚度5030015525电阻值2503506002000102106应变系数K24241020综合精度0.10.50.10.50.30.5功耗（10V）3010mA10mA2mA稳定性差好好根据电阻应变式拉力传感器的使用特性和性能指标，本设计使用金属应变片作为测量拉/压力的应变片。金属应变片又可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片和金属薄膜式应变片。而本设计使用的是金属丝式应变片，主要原因是其具有制作简单，性能稳定，价格低，易于粘贴等特点。3 相关理论分析计算及部件设计3.1 基本的理论分析由静力学关系知，拉压弹性元件横截面上的正应力应合成为轴力，而又处处相等，所以有。 （3-1）式中为元件横截面的面积。显然，正应力与轴力成正比，与横截面面积成反比。上式使用于任意形状的等截面拉压元件。轴向拉伸时，横截面上的应力为拉应力；轴向压缩时，横截面上的应力为压应力。根据材料机械性质可知，脆性材料轴向拉伸或压缩时，若其横截面上的正应力（也是各截面上的最大应力）达到强度极限，则在很小的变形下发生断裂破坏；塑性材料轴向拉伸或压缩时，若其横截面上的正应力（同样也是其各截面上的最大应力）达到屈服极限，虽然未发生断裂，但已出现塑性变形，不能保持原有的形状和尺寸，故不能正常工作，工程上也认为其已破坏。脆性材料的强度极限和塑性材料的屈服极限是构件正常工作的极限应力，如要保证构件有足够的强度而正常工作，显然工作是的最大工作应力应低于上述的极限应力，工程上通常将极限应力除以大于1的系数，将所得结果称为许用应力，用表示。即对塑性材料：；对脆性材料： （3-2）上式中，大于1的和称为安全系数，它是一个无量纲的量。许用应力和安全系数的数值，可在有关业务部门的一些规范中查到。目前一般机械制造中，在静载的情况下，对塑性材料可取1.22.5。脆性材料均匀性较差，且断裂突然发生，有更大的危险性，所以取23.5，甚至取39。许用应力是构件正常工作时应力的极限值，即要求工作应力不超过许用应力，这就是构件轴向拉伸或压缩时的强度条件：.一般而言，式中应是构件内轴力的最大值，为元件的横截面面积，对变截面杆，应考虑与的比值，其最大值作为上式中的。3.2 弹性元件的尺寸设计弹性元件采用空心圆柱式，弹性元件的屈服极限为，安全系数45。则可取弹性元件的许用应力。弹性元件的截面面积， （3-3）为使弹性元件的轴向应变适合要求而不产生塑性变形，避免弹性元件因过载而损坏，弹性元件的截面面积应适当取大一些,则取。选择与时，要考虑到构件的稳定性及加工条件，原因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的疲劳寿命。为使贴片部分应力分布均匀，长度不可太短，圆柱式一般为,而圆筒式则可适当短一些。选取空心圆柱的内径为，则外径： （3-4） 为使理论计算和分析以及制造方便，取。因此重新计算空心圆柱的横截面积： （3-5）根据上述讨论，可得空心圆柱弹性元件的高度：,其中为应变片长度，为使理论计算和分析以及制造方便，取3.3 应变片的计算金属丝式应变片的敏感栅材料直径范围为0.0120.05mm。其基底很薄，一般在0.03mm左右。能保证有效地传递变形。引线多用直径为0.150.3mm的镀锡铜线与敏感栅相连。应变片具体型号为：BA-AA系列应变片，其特性如下表所示：表3.1 应变片特性参数表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-301503.4 电阻值的取值应变仪的电阻值虽有60、120、200、350、500和1000等，但因应变仪电桥的桥臂电阻大都按120设计的，所以在无特殊要求时，应变计的电阻值较大些，可以提高测量电路的输出电压。在作静态多点测量时，接于一台应变仪上的各种应变计阻值，一般应使分散度不超过0.5，否则仪器调平衡将发生困难。在使用电阻值超出应变仪规定范围的应变计时，应对测量结果进行必要的修正，对于不需配用应变仪的测量电路（如半导体应变计测量时）可根据需要来选择应变计的电阻值。对于传感器用的应变计电阻，根据欧姆公式，并且考虑到电阻丝的发热对测量结果的影响，一般选用为好,这里选择。3.5 应变校验 在进行弹性元件和应变片的选材及尺寸计算后，开始对所选的参数进行校验。由公式 最大的工作作用力；许用应力；弹性元件的截面面积；弹性元件材料的弹性模量。代入数据后可得，弹性元件的应变范围为，符合以最大输入时应变不超过的要求。过载时，弹性元件的最小横截面积处的最大应力为：, （3-5）故上述对弹性元件和应变片的选材及尺寸计算所获得的参数基本符合应变式拉/压力传感器的使用要求和性能指标。3.6 联接结构的设计联接的要求：1. 机械上是坚固的，不怕振动。2. 避免热应力对芯片的影响。3. 电气上芯片与环境或大地是绝缘的，或芯片与大地是电连接的。4. 气密且耐水压力的。3.7 壳体的设计1. 外壳与底座的选材：根据要求，外壳和底座需要有一定的刚度和强度，这里采用联体设计，选用不锈钢作为材料。 2. 上盖的选材：根据要求，上盖需要有一定的刚度和强度，因此选用不锈钢作为上盖的材料。3. 受压头的选材：根据要求，受压头要有较大的刚度和强度，因此选用合金钢作为受压元件的材料。3.8 防尘的设计为了防止传感器内部器件（如应变片，弹性轴等）受到尘埃，空气或其它液体（如油液）的腐蚀，要进行一定的防尘措施。因此在弹性轴上的拉压头的轴肩处使用毡圈进行油封；在外壳的上边缘处使用尼龙垫圈进行密封。4 测量电路原理分析及设计4.1 电桥电路原理应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电表进行测量。由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变化范围也很小，直接测量出这一微小变化比较困难，所以一般利用桥式测量电路来精确测量出这些小的电阻变化。电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压为零的条件是：。图4.1当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即时，电桥输出： （4-1）恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。令,在应变片工作时，其电阻变化,此时电桥的灵敏度为：电压输出为: （4-2）4.2 转换电路和信号放大电路来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达100120dB。结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。具体的电路如图所示图4.2本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路，三就是增益放大电路，这里面还包括共模抑制电路。4.2.1 电桥转换电路电阻应变片的电阻的电阻都为。由这八个电阻组成一个全桥放大电路。图4.34.2.2放大电路和共模补偿电路它由三个集成运算放大器组成，其中为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称（或称同向并联型）差动放大输入级，构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制的共模信号，并适应接地负载的需要。由输入级电路可写出流过和的电流都为 （4-3）由此求得 （4-4） （4-5）于是，输入级的输入电压，即运算放大器与输出之差为 （4-6）其差模增益为 （4-7）由上式可知，当与性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而与共模输出，失调及漂移均在两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。但为了消除片偏置电流等的影响，通常取.另外，这种电路还具有增益调节能力，调节可以改变增益而不影响电路的对称性。根据共模抑制比定义，可求得输入级的共模抑制比为 （4-8）式中的、分别为、的共模抑制比。当时，运算放大器的差模增益为整个电路的共模抑制比为:，式中运算放大器的共模抑制比。为了获得高的共模抑制比，必须选取集成运算放大器具有高的共模抑制比，同时精选外接电阻，尽量使,精度应控制在0.1内。而且通常将输入级的增益设计得大些，输出级的增益设计得小些。这种电路由于,的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比，共模输入电压范围为610V，总增益11000（为几十至几百欧姆）。如果在的两输入端之间接入共模补偿电路，则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比。改变阻值可将共模增益调整到最佳点。如果,和选用高精度，低漂移的集成运算放大器（如4E325），那么，该电路则可获得相当优良的性能。总电路如图4.4图4.4它的原理是由运放组成第一级差分式电路，组成第二级差分式电路。在第一级电路中，分别加到和的同相端，,和组成的反馈网络，引入了深度的电压串联负反馈，两运放A1，A2的两输入端形成虚短和虚断，因而有 （4-9） （4-10）所以 当=时，有： （4-11）得到输出电压 （4-12）电路的放大增益为： （4-13）所以设计的放大电路的放大倍数为：，试验中，这个实验可以调节, 同时改变，达到调节增益的目的。而且放大增益很大，有很宽的调节范围。4.2.3 电路调零调幅电路电路图如图4.5所示：如图所示构成分压电路，通过调节可以调节电桥的供电电压，并且可以在任何时候把电路调零，所以该电路称为调零调幅电路。电路图4.5所示：图4.54.2.4 滤波电路的设计与参数计算 图4.8低通滤波器由于测量过程中不可能做到理想化，故会产生一些杂波，同时电路还会受到噪声信号的干扰，因此，需要对检测到的信号进行滤波处理。本次课程设计中采用的滤波电路为压控电压源低通滤波电路。其参数如下： （4-14） （4-15） （4-16）4.3各部件之间的输入输出关系4.3.1电桥放大电路各元件参数及其输出电压的计算根据上述对运算放大电路分析，其输入级的差模增益的， （4-17）为使电桥放大电路的输出电压范围保证在010V之间，以便后接仪表或为A/D转换所用，则电桥放大电路的差模增益应该为Kd1K1K2=201左右。由于根据本设计的技术要求与性能指标，可确定电桥放大电路各元件参数如下所示：表4.1 电桥放大电路各元件参数表R9()R10()R11()R15()R17()20K1K20K1K10K由上表计算可得出，=41，,因此，当电桥供电电压时，电桥放大电路的输出电压范围为：受拉时， （4-18）理论计算：当压力时，有： （4-19） （4-20）电桥输出： （4-21）运放输出： （4-22）同理，当压力时，有:, （4-23）, （4-24）4.4抗干扰的措施1、根据分析，此传感器的干扰主要是温度变化使电阻应变片在测量中产生误差，因此要进行温度补偿。补偿温度误差的方法有应变片自补偿法和线路补偿法。（1）应变片自补偿法：对于给定的材料和选定的栅丝（,及均已给定），适当的选择或控制、调整栅丝温度系数。（2）组合式自补偿法： 应变片敏感栅丝由两种不同的温度系数的金属丝串接组成，一种类型是选用两者具有不同符号的电阻温度系数。另一种类型是两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数，即都为正或为负。（3）线路补偿法：另选一个其特性与相同的补偿片，安装在材料与试件相同的某补偿件上，温度与试件相同，但不承受应变。与接入电桥相邻臂上，造成与相同。2、供电桥工作电源应采用恒压源或恒流源为了得到稳定的输出电压，必须要求供电桥工作电源是恒压源或恒流源，可供给电源并联一个大的固定电阻，该固定电阻一般为几千欧姆。3、放大电路的抗干扰一般来说，干扰主要是外界电磁场，接地线不合理和整流电源的交流纹波等原因造成的，即当放大电路输入端输入信号电压0时，输出端可能出现交流干扰电压。对于杂散电磁场的干扰，可采用合理布局和屏蔽。5 误差来源与精度分析5.1 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。5.2 数据处理1. 零点补偿（Rz）有些使用场合，当传感器零点超过一定范围时，现场仪表显示异常（不接收或溢出），或者控制系统报警、失控等。2. 零点温度补偿（Rt）室外作业的电子衡器或其他称重检测装置，当传感器感受不同温度（如早上与中午的温差），其内部电阻值产生相应变化，最终反馈到显示或控制装置，使系统作业出现异常如数字不稳或系统零位偏差等，影响正常工作。3. 弹性模量补偿（Rm）弹性体金属材料自身都有弹性模量（E）且随温度的变化而产生微量变化，在同样的测量负荷下，天热时仪表显示的读数要大于天冷时的读数（称量产生了偏差）。这对于高精度计量是不允许的。4. 非线性补偿是针对纯柱式结构传感器先天性线性不良传感器而言，通过补偿可有效改进传感器的精度，满足高精度计量要求。5. 灵敏度补偿如果一张桌子有3或4条腿，当3或4条腿长度不一致时，桌子便不稳固，容易倒掉。同样，对一台由2个以上传感器组成的电子衡器而言，若传感器的灵敏度不一致，那么这台衡器便处于非稳态，被称物品在秤台的不同方位会得到不同的结果，而最多只有一个结果是正确的。这种情况是衡器产品所不允许的，无法完成“公平交易”的目的。6. 输入电阻调整同灵敏度补偿情况。6 应变片的粘贴方法6.1 弹性体应变区的打磨经过机械精加工，热处理，去内应力，合格的弹性体的贴片部位，要除去电镀层，其粗糙度要有1.63.2均方根值。为了提高粘贴的性能，采用金刚砂布，进行圆形打磨，然后进行交叉斜线打磨。最后用网状海绵檫干净。檫时不能来回檫，先单方向檫，随后反方向，直到棉球上没有污物为止。6.2 划定位线为了使应变计在应变区精确对中，需要在粘贴应变片的位置划两条十字线，使应变片上的标志在粘贴时与十字线相重合。该十字线为一条光亮线，不要划伤应变区的表面成为物理痕迹，甚至产生毛刺，这样粘贴应变片时会损坏应变片，从而引起应力集中。可用4H铅笔划线，在固定的平台上划，取好某个面作为基准，保证其对称，减小误差。6.3 表面清洗划出参考线后，要用酒精棉签将起划线表面清洗干净。再用中性剂洗檫其表面，防止酸性物质影响胶的粘贴力。6.4 选片将同一批应变片阻值相同或相近的贴在同一只传感器上，目的是组桥后，使空输出值减小。6.5 绷片为了帮助应变片的固定和定位，要把应变片事先粘贴在特制的胶带上。具体操作，将胶带放在一干净的玻璃面上，将应变片放与胶带的中间，将胶带的一端固定在应变区，调整对中湖，将基底背面想上翻开，等待涂胶。6.6 帖片将选好的粘贴剂分别涂在基底背面和应变区内，厚度为3。待胶水无流动性，表面已不粘手的情况下，将应变片和胶带一起翻过来，将胶带的一端帖在应变区内，应变片自然对中。然后用卡尺工具对其固定。注意固定力要适合。6.7 固化固化分前固化和后固化。前固化是严格按贴秒年 胶水厂家的固化工艺要求，保持温度和时间。加热速率不要太快。后固化即二次固化，目的是为了消除受压而产生交大的残余应力。做法，去掉卡具，再次放进恒温箱，温度要比固化前高20度。持续一段时间。保证传感器的长期稳定性。6.8 帖片质量检查首先检查应变片四该三角标志是否与十字线重合。如明显偏移，应将其移除。检查压印的清晰度。检查帖片胶是否被挤出。检查应变片直流电阻十分有明显变化，正常情况下最大可增大0.10.2%检查应变片地弹性体的绝缘电阻。将四只应变片组成电桥，加入输入，观察其输出是否符合要求。总 结课程设计是实培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次课程设计，我感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这两个星期里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过设计本系统，我们学到了很多关于传感器和电路设计方面的许多知识，将理论与实践相结合是一个很有难度的事情，在这次实验中，我们不断地查找很多专业方面的知识和实验仪器设备，以及学术论文，学到了如何查阅科技论文，和很好的利用科技知识，将知识和实际生活所需结合起来，使我们懂得学的东西有所用，有所长。科学研究是一件很艰苦也是一件很有成就感的工作，在这次实验中有很深的体会。以后要多加思考和动手，及时将所学的知识由于实际的工作和学习中，让知识活起来，让脑子动起来，为将来的工作学习打下坚实的基础。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学