电阻应变式压力传感器

课 程 设 计 课程名称 传感器设计与实践 题目名称 电阻应变式压力传感器 及转换电路设计学生学院 信息工程学院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 2015年1月23日广东工业大学课程设计任务书“传感器设计与实践”之二题目名称应变式荷重传感器及转换电路设计学生学院 专业班级 姓 名 学 号 一、课程设计的内容通过“传感器设计与实践”课程设计，掌握传感器设计的一般过程与步骤。具体内容包括：了解荷重测量的一般方法；制定利用应变式传感器测量荷重的方案；利用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析与计算；利用CAD软件进行荷重传感器的结构设计与零件设计；设计传感器转换电路，并进行电路调试或仿真。二、课程设计的要求与数据1、本实践环节，采用以教学辅导、学生自主设计、自主实验的教学形式。2、传感器技术参数：测力范围：05105 N； 称量精度：1 %3、要求设计说明书字数不少于5000字。三、课程设计应完成的工作1、了解荷重测量的一般方法，制定利用应变式传感器测量重物的方案； 2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸； 3、应变式荷重传感器结构设计；绘制传感器装配图和部分零件图；4、传感器转换电路的设计和仿真调试； 5、编制设计说明书。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容答疑地点起止日期1布置设计任务。学生查找相关资料教1-3081月12日2选定传感器型式和结构方案；进行相关理论分析与计算；确定传感器主要结构尺寸工学1-1071月1314日3传感器主要结构设计，装配图、零件图的设计工学1-1071月1418日4根据所设计的传感器结构，设计转换电路工学1-1071月18日5传感器测量转换电路仿真调试工学1-1071月1821日6传感器制作工艺研究工学1-1071月21日7撰写设计说明书工学1-1071月2122日8分组答辩工学1-1071月23日五、应收集的资料及主要参考文献1、李科杰新编传感器技术手册（M）国防工业出版社，2002年2、强锡富传感器（第3版）（M）机械工业出版社，2001年3、丁镇生传感器及传感技术应用（M）电子工业出版社，1999年4、黄继昌传感器工作原理及应用实例（M）人民邮电出版社，1998年5、陈尔绍传感器实用装置制作集锦（M）人民邮电出版社，2000年6、黄贤武传感器实际应用电路设计（M）电子科技大学出版社，1997年发出任务书日期：2015年1月12日 指导教师签名： 计划完成日期： 2015年1月23日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：摘要应变式压力传感器是一种利用弹性敏感元件和应变计将被测压力转化为相应电阻值变化的压力传感器，广泛应用于自动控制，质量控制，称重系统，纺织机械的闭环控制等等。应变片式称重传感器对于不同量程可采用不同的应变结构：弹簧片式（小量程几千克），悬臂梁式（中量程几十到几百千克），柱式（大量程可到上百吨）。本次课程设计的设计要求荷载为050吨，精度为1%，这就要求我们从设计要求出发确定传感器的各个参数。主要包括弹性材料的选择，结构尺寸的确定，应变片型号的确定等，转化与放大电路的设计等。关键词应变式压力传感器，应变片，转化放大电路。目录一，称重传感器介绍6二，称重测量方案的比较6三，应变式传感器的工作原理8四，应变式传感器结构的选定9五，弹性敏感材料的选择10六，电阻应变片的选择10七，结构参数的确定12八、测量电路原理分析及设计14九，传感器精度验证20十，心得体会23参考文献23一，称重传感器介绍称重传感器是称重系统的心脏。随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。称重传感器的主要技术参数有：1，额定荷载量；2，灵敏度（额定输出）；3，灵敏度允差；4，非线性；5，重复性误差；6，蠕变；7，零点输出；8，输入输出阻抗；9，使用温度范围等。二，称重测量方案的比较称重传感器的种类很多用途很广，不同种类用途不一样。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，其特点是成本低，不需要电源，但体积大，笨重，输出为非电量。最常用的为电阻应变式传感器。1，光电式包括光栅式和码盘式两种。光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。码盘式传感器的码盘（符号板）是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。2，液压式在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。3，电容式它利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d 的正比例关系工作。极板有两块，一块固定不动，另一块可移动。在承重台加载被测物时，板簧挠曲，两极板之间的距离发生变化，电路的振荡频率也随之变化。测出频率的变化即可求出承重台上被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/2001/500。4，电磁力式它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/20001/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。5，磁极变形式如图7所示，铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形时，内部产生应力并引起导磁率变化，使绕在铁磁元件（磁极）两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力，进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为 1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。6，振动式弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达1/10001/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。音叉式传感器的弹性元件是音叉。音叉端部固定有压电元件，它以音叉的固有频率振荡，并可测出振荡频率。当承重台上加有被测物时，音叉拉伸方向受力而固有频率增加，增加的程度与施加力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出重物施加于音叉上的力，进而求出重物质量。音叉式传感器耗电量小，计量准确度高达1/100001/，称量范围为500g10kg。7，陀螺仪式转子装在内框架中，以角速度绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴 Y 倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z 旋转。转子轴 (X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动（进动）。进动角速度与外力P/2成正比，通过检测频率的方法测出，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。陀螺仪式传感器响应时间快(5秒)，无滞后现象，温度特性好（3ppm）， 振动影响小， 频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/)和高的计量准确度(1/300001/60000)。8，电阻应变式利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作（图11）。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器9，板环式板环式称重传感器的结构具有明确的应力流线分布、输出灵敏度高、弹性体为一整体、结构简单、受力状态稳定、易于加工等优点。目前在传感器生产中还占着较大的比例,而对这种结构传感器的设计公式目前还不很完善。因这种弹性体的应变计算比较复杂,通常在设计时把它看作为圆环式弹性体进行估算。特别是对1t及以下量程的板环式传感器设计计算误差更大,同时往往还会出现较大的非线性误差。板环式称重传感器用途与特点：结构紧凑、防护性能好。精度高、长期稳定性好。适用于吊钩秤、机电结合秤及其它力值的测量与控制广泛应用于建材、水泥、化工等行业。方案的选择应变式电阻传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。应变式传感器无论是在数量上，还是在应用领域，它与其他类型的称重传感器相比还是具有领导地。其具有结构简单，尺寸小，测量范围大，分辨力高，使用方便，灵敏度高，适合静、动态测量，且价格便宜，性能稳定可靠，故本次课设将选用应变式原理来制作称重传感器。三，应变式传感器的工作原理电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。（1）电阻应变片电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。（2）弹性体弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。（3）转化电路检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。应变片测量应变的基本原理：当用金属应变片测量应变或应力时，将应变片粘贴于被测对象上，应变片随被测对象产生微小应变，使应变片产生R。R=k0R而：=E式中： -测试弹性体的应力； E-弹性体材料弹性模量；所以 R 可通过R测。设计中只要把应变片贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小。弹性体是测力传感器的基础，应变计是传感器的核心。四，应变式传感器结构的选定根据被测力大小，弹性元件的结构形式不同，常见的有轮辐式，柱式，悬臂梁式和环式等。1，轮辐式传感器轮辐式力传感器是采用轮幅式弹性体结构,利用剪切式应力原理制作的力传感器。外加荷载作用在轮的顶部和轮圈的底部，轮辐上收到纯剪切力。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。这是一种比较新型的传感器，其优点是精度高，滞后小，重复性及线性度好。2，梁式传感器梁式传感器有多种形式，有等截面梁（a），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。等强度梁的横截面积处处相等，其特点为结构简单，易于加工，灵敏度高，适用于测5000N以下的荷载。悬臂梁（b）长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊的悬臂梁。当外力做用在梁的自由端时,断面产生的应力相等，表面上的应变也相等，故对粘贴应变片的位置要求不严。此外，梁式传感器还有平行双孔梁（c），工字梁，S型梁（d）等。3，环式传感器弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。常用于测量几十千克以上的大载荷。4，柱式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，并均匀对称的粘贴多片。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，一般去H=2D+L;而空心圆柱一般取H=D-d+L,式中H为圆柱体的高度，D为圆柱外径，d为空心圆柱内劲，L为应变片基长。柱式传感器结构简单，可以测量总结综上所述，总结出四种弹性体的比较表如下所示：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，结合本次课程设计的要求为荷重050t，称量精度为1%，本次课程设计选用柱式传感器作为测量元件。五，弹性敏感材料的选择弹性敏感元件在传感器中占有很重要的地位，其质量的优劣直接影响传感器的性能和精度。在很多情况下，它甚至是传感器的核心部分。在设计传感器之前应首先选择性能良好的弹性元件材料。理想的弹性元件材料应具备强度高、弹性模量温度系数小、热膨胀系数小、各向同性和机械加工性能好、抗氧化和抗腐蚀性好、弹性滞后小等性能，但寻找同时满足上述要求的弹性材料是困难的，只能根据传感器的使用条件综合考虑。弹性元件材料有弹性合金、石英、陶瓷和半导体硅等。常用弹性合金分为高弹性合金和恒弹性合金。铜基高弹性合金用得最早，如黄铜、磷青铜、钛铜和铍青铜等。由于铜基合金耐高温和耐腐蚀性能差，因此铁基和镍基高弹性合金在一些应用场合逐渐取而代之。它们具有弹性高、滞后小、耐腐蚀等优点。高弹性合金的缺点是弹性模量的温度系数大，因而带来显著的温度误差。因此测压敏感元件（见压力传感器）普遍采用恒弹性合金材料。在一定温度范围内，恒弹性合金的弹性模量温度系数很小，一般为1010-6/（如Ni42CrTiA1），我国的代号为3J53，这种材料在-60+100范围内，弹性模量基本上是恒定的。较理想的高温恒弹性合金是铌基合金。它的特点是无磁性、恒弹性（即温度系数小）、弹性模量低（即刚度小、可获得高灵敏度）、强度高和耐腐蚀。石英也是一种优良的弹性元件材料，其滞后仅为最佳弹性合金的1/100,而热线胀系数为它的1/30。陶瓷在破碎之前，应力-应变关系始终保持线性,最适于制作耐高温的弹性元件。综合考虑本次课设弹性体所需的强度刚度和密度等后，决定采用恒弹性合金3J53作为弹性体的材料。以下是该材料的结构参数。恒弹性合金3J53 屈服极限：1250MPa弹性模量：195GPa泊松比：0.30密度：8g/cm品质因数：1000考虑材料的安全系数为2，则材料的许用应力= s/2=625MPa。六，电阻应变片的选择1，构造金属电阻应变片由敏感栅、基片（底）、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。2，类型金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.0030.01mm，其优点是： 可制成复杂形状、尺寸精确的敏感栅； 与被测试件接触面积大，粘结性能好； 散热条件好，允许电流大，提高输出灵敏度； 横向效应可以忽略。 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长；缺点：电阻值的分散性，应用时需要作阻值调整。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等，目前这种应变片被广泛使用。金属丝式应变片金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝（ 直径0.0120.05mm）绕成柵形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。金属薄膜应变片采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度为0.1mm一下的金属电阻材料薄膜的敏感柵-厚度大约为箔式应变片的1/10一下。半导体应变片将P型杂质扩散到N型单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。3、金属应变片的基本特性 灵敏系数轴向单位应变所引起的应变片阻值相对变化量，即：k=(R/R)/，R=kR。测定应变片的灵敏系数用实验方法，且在规定条件下测得：以5%的产品来测定，取平均值及允许公差值作为该批产品的灵敏系数-标称灵敏系数。横向效应将电阻丝绕成应变片后，其灵敏系数降低，该现象称为应变片的横向效应。最大工作电流和绝缘电阻最大工作电流：指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。一般静态电流25mA左右。绝缘电阻：引线与被测试件间的电阻。通常在50100M。应变片的电阻值已经规格化：60、120、200、350、500、 1000，其中120最常用。应变片的动态响应特性测量变化频率较高的动态应变时，应考虑此特性。一般的工业测量则可不考虑。 疲劳寿命恒定幅值交变力作用下，能连续工作（正常工作）的循环次数N。4，应变片的选择综合本次课设需要的精度，我们选择了由中航电测公司生产的350欧姆金属箔式应变片，其主要参数如下：型号：BF350-3AA(*)N*栅丝尺寸：长宽 3.23.1mm基底尺寸：长宽 7.44.4mm应变极限：2.0%疲劳寿命：使用温度范围：-30+80电阻值：350欧姆灵敏系数：2.00平均电阻值公差：0.1%七，结构参数的确定1，弹性元件与应变片的参数计算弹性元件的影响圆柱式传感器的弹性元件分实心和空心两种。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。=lL=E=FSEF-作用在弹性元件上的集中力，S-弹性元件的横截面，E-弹性材料的弹性模量。圆柱的直径根据材料的许用应力来计算，由=F/S得SF/而S=D2/4得D4F式中: D为圆柱直径对于空心圆柱， S=(D2-d2)/4则D4F+d2对于柱高，实验研究结果建议选用以下公式实心圆柱: H 2D+L空心圆柱： H D-d+L式中: D-圆柱外圆直径；d-内圆直径.应变片的影响因为应变片是粘贴在弹性体上面的，所以应变片的形变量与弹性体的形变量是一致的。要是弹性体的形变量不至于拉坏应变片，必须使弹性体的形变量在应变片的应变极限范围内，则由=lL=E=FSE得SFE2，弹性元件尺寸的确定横截面积的计算由于空心柱体作为弹性材料的结构在相同的横截面积下具有灵敏度高，抗弯能力强，横向刚度大，横向稳定性好等优点，本次课设采用空心圆柱作为弹性体的结构。要确保弹性体的应力在许用应力范围内，必须使S1F/即S1(5105N)/(625106Pa)=800mm2要确保应变片的应变在极限应变范围内，则必须使S2FE即S25105N195109Pa210-3=1282mm2综上，S=MAXS1，S2= 1282mm2内外径的确定给定内径d=20mm，则由S=D2-d24=1282mm2算得D=12824+d2=45.09mm取D=46mm壁厚为 12D-d=13mm所以S=D2-d24=1348mm2高度的确定当高度与直径的比值H/D1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。为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高H应当选的小一些，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：H22.5D=92112mm这里取H=92mm由于壁较厚且弹性体较短，在这里不会出现局部失稳，故无需校验。3，灵敏系数的确定根据公式 S=（1+）KF2AE103其中，为材料的泊松比，F为传感器的额定负荷，k为应变片的灵敏系数，E为材料的弹性模量，A为弹性元件贴片部位的截面积。所以得传感器的灵敏系数为S=1+0.32.051052134810-6195109103=2.47mV/V4，外壳尺寸的确定弹性元件上粘贴着应变片与导线，必须要有外壳的保护，才能使其在复杂环境下工作。为了使受力集中于一点，需要有一个圆弧外表面的受压头，为了保证受压头与弹性体之间不发生相对移动又能具有可拆卸结构，还需要一个上盖来固定。上盖与外壳，外壳与弹性体之间用螺纹来链接，并在连接处加入垫圈，可使传感器防水防尘。根据要求，外壳和底座需要有一定的刚度和要求，在本次设计中，底座与弹性体为一体化设计，及用一块相同材料的金属通过切削而成；外壳和底座采用螺纹连接方式，为减少重量，选用普通铝合金作为材料；上盖与外壳同样采用螺纹连接，同样采用普通铝合金；受压头由于需要具有较大的强度和刚度，因此选用高强度材料合金钢（65Mn）作为受压元件的材料。根据链接的要求，有：（1）传感器底座与支撑面固定：根据机械零件设计手册GB196-81，传感器底座的固定螺孔选用螺纹直径为D=10mm；（2）上盖与外壳选用螺纹连接，根据工作要求，选用螺距P=1mm的螺纹；（3）接线柱出口链接圆柱与外壳选用螺纹连接：根据机械零件设计手册GB67-85，选用M2螺钉，工作长度为8mm。八、测量电路原理分析及设计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R/R,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。 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V0为零的条件是：R1R4=R2R3电桥的输出为：2，电压灵敏度当R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻时就构成单臂电桥。应变片电阻值变化很小，电桥输出电压也很小，一般需要后接放大器。因放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，故仍可视电桥为开路。若应变使应变片电阻变化R，其它桥臂电阻固定不变，此时电桥输出电压U00，电桥不平衡输出电压为：而电桥的灵敏度定义为：分析上式可知：（1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E，E越大，电桥电压灵敏度越高。但供电电压受到应变片的最大允许电流的限制；（2）电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数。可以证明，当E值确定后，n=1时有最大灵敏度。若初始时四个桥臂阻值相等，即R1=R2=R3=R4 =R时电桥平衡，则当R1有变化R1时，电桥输出电压及单臂电桥电压灵敏度分别为：3，非线性误差及其补偿方法：由式（2-51）求出的输出电压，因略去分母中的R1/R1项而得出的是近似值，实际计算值为：非线性误差为：减少和消除非线性误差的实用方法是采用差动电桥。如图2.15a)为半桥差动形式；图2.15b)为全桥形式。直流电桥的工作方式可分为三种：单臂、半桥双臂、全桥假设：他们的电压输出分别为：单臂： 半桥双臂：全桥：由上三式可知：全桥接法可以获得最大的输出电压,其灵敏度为半桥单臂的4倍所以我们选择灵敏度尽量高的电桥转换电路，选择全桥差动的转换电路。4，全桥转换电路我们根据所做的圆筒应变式荷重传感器的实际情况要求，既要考虑纵向效应也要考虑横向效应，所以采取了跟大型的电桥来做转换电路，如图所示每个臂增加一个电阻应变片，具体在圆筒上贴片，在最后有附件有说明。5，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。三运放高共模抑制比放大电路由放大电路和共模补偿电路两部分组成。具体分析如下：它由三个集成运算放大器组成，其中N1，N2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，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1，N2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R6，R7和R14都电流IR为 IR=U02-Ui2R12=Ui1-U01R11=Ui2-Ui1R17由此求得U01=1R11R17Ui1-R11Ui2R17U02=（1R2/R17）Ui2R12Ui1/R17于是，输入级的输入电压，即运算放大器N2与N1输出之差为U02-U01=1+(R11+R12)/R17(Ui2-Ui1)其差模增益Kd为Kd（U02U01）/（Ui2-Ui1）1（R11R12）/R17由上式可知，当N1,N2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R14两端相互抵消，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N1，N2片偏置电流等的影响，通常取R6=R7.另外，这种电路还具有增益调节能力，调节R14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CMRR12=CMRR1CMRR2/CMRR1-CMRR2式中的CMRR1、CMRR2分别为N1、N2的共模抑制比。当R20=R19、R15=R16时，运算放大器N3的差模增益为Kd3R15/R20。整个电路的共模抑制比为CMRR=(KdCMRR3CMRR12)/(KdCMRR3+CMRR12)式中CMRR3运算放大器N3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N3具有高的共模抑制比，同时精选外接电阻，尽量使R10=R11、R12=R13精度应控制在0.1内。而且通常将输入级的增益Kd设计得大些，输出级的增益Kd3设计得小些。这种电路由于N1,N2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CMRR120dB，共模输入电压范围为610V，总增益110000（Rp为几十至几百欧姆）。如果在N3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R15阻值可将共模增益调整到最佳点。它的原理是由运放U1，U2组成第一级差分式电路，U3组成第二级差分式电路。在第一级电路中，V1，V2分别加到U1和U2的同相端，R11,R12和R17组成的反馈网络，引入了深度的电压串联负反馈，两运放U1，U2的两输入端形成虚短和虚断,按照上面的分析，可以计算出：差模增益Kd为：Kd=1+(R11+R12)/R17运算放大器U3的差模增益：Kd3=R15/R20电路的放大增益为:A=KdKd3=-R15/R201+(R11+R12)/R17所以设计的放大电路的放大倍数为： A=KdKd3=R15/R201+(R11+R12)/R17试验中，这个实验可以调节R17,R18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。6，电路调零调幅电路如图所示，通过调节R5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。电路图如右7，各部件之间的输入输出关系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:Kd=1+(R11+R12)/R17Kd3=R15/R20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KdKdKd3=250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:R11R12R20R15R17100K100K10K40K3.25K由上表计算可得出：A=KdKd3=（R15/R20）1+(R11+R12)/R17=（40K/10K）1+(100K+100K)/3.25K=250因此，当电桥供电电压U=12V时，电桥放大电路的输出电压范围为：受拉时，UoAUid其中，Uid为电桥输出电压。由以上可知，差动放大电路的放大倍数A=180，因此，当电桥供电12V时，电桥放大电路的最大输出电压为：Uomax=USA=12V2.47mVV250=7.41V式中，U为供电电压；S为传感器的林敏度，单位为mV/V；A为差动放大电路的放大倍数当受压为F,传感器的输出电压的理论计算过程如下：=FESRR=K横向RR=K纵向RR=KUo1=U(1+)R2R=U(1+)KF2ESUO=U全桥A联立以上各式可得，U0=U(1+)KFA2ES式中，U为供电电压；A为差动放大电路的放大倍数；为弹性材料的泊松比，K为应变片的灵敏系数；F为传感器的荷载；E为弹性材料的弹性模量；S为弹性体的横截面积。若输入U=12V， =0.3，K=2.0，A=250，E=195GPa，S=1347mm2时，荷重F 与输出电压UO的输入输出关系表如下所示：用MATLAB实现的FV曲线对比九，传感器精度验证本次课程设计的精度要求是1%，造成传感器精度误差的主要原因有加工工艺造成的误差，放大电路放大倍数造成的误差，应变片粘贴时造成的误差以及零件装配时造成的误差。由于应变片粘贴时造成的误差和零