【毕业设计】 基于应变效应的高铁轨道安全检测系统设计

摘要电阻应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。应变式传感器具有以下优点（1）测量范围宽、精度高，如测量力可达101106N、005FS，测量压力可达101011PA、01FS，测量应变可达K级；（2）动态响应好，一般电阻应变片响应时间为107S，半导体式应变片响应时间达1011S；（3）结构简单，使用方便，体积小，重量轻；品种多，价格低，耐恶劣环境，易于集成化和智能化。电阻应变片传感器通过调节放大器的放大倍数，并采用A/D转换器，通过A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。这种电子秤具有精确度高，操作简单，性能稳定，价格低廉，成本低，制作简单等优点。关键字电子秤、电子应变片、A/D转换器，显示电路LED。目录摘要I目录II前言1第1章绪论211课题意义212课题方案2第2章测量电路321应变式传感器的工作原理322电阻应变片的特性4221电阻应变片4222横向效应5223应变片的温度误差及补偿623电阻应变式传感器的测量电路8231直流电桥8232交流电桥11第3章应变传感器的应用1331柱筒式力传感器1332膜片式压力传感器13第4章差动放大电路1541仪表仪器放大器的选择1542差动放大电路图1643A/D转换1644A/D转换器的选择1745电压表部分电路图应用17第5章用电阻片构成的电子秤19总结21参考文献22前言本文简述的是由电阻应变片式传感器组成的电子秤。电子秤是由电阻应变片，测量电路，差动放大电路，A/D转换器，显示电路等电路组成。其中电阻应变片是重中之重。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。第1章绪论电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便成成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点。11课题意义电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便成成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点。是家庭购物使用的首选其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。12课题方案利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式传送到A/D转换器。其次，由A/D转换电路把由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。具体方案如下电阻应变式传感器输出信号差动放大电路放大信号显示电路（LED）A/D转换电路（双积分）SLR第2章测量电路电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。21应变式传感器的工作原理任何在线性范围内变形的弹性体，当其受力发生变形时，长度将发生改变，产生应变，这种效应称为应变效应。长度的相对变化称为应变，用表示，L/L，其中L是原始长度，L是变化量。利用电阻应变片将应变转化为电阻变化的传感器通称为应变式传感器。应变式传感器的工作原理是，机械弹性结构体受力变形时产生应变效应，这种应变效应由电阻应变片完成检测，应变片的电阻变化再由电桥完成信号的转换，并最终输出与弹性体受力成对应关系的电信号。为了弄清楚电阻应变片的工作原理，先考察金属电阻丝受力变形后的电阻变化，电阻丝拉伸前后的变化如图21所示。图41金属丝应变效应金属丝的原始长度是L，半径R，受力F作用后长度为LL，半径为RR。根据金属丝的电阻计式，由R的全微分得到R的相对变化，表达式如下21式中L/L是长度的相对变化，即应变；S/S是截面积的相对变化；/是电阻率的相对变化。对于金属丝的变形，有22式中为泊松比，它反映了金属丝变形后长度的相对变化L/L和半径的相对变化R/R之间的比例关系，如对于钢材，0285。LRS22将式22代入式21，得23电阻的相对变化对应于应变的灵敏度系数定义为（24）所以金属丝的灵敏度系数为2522电阻应变片的特性221电阻应变片电阻应变片有金属应变片和半导体应变片两种。传统的金属应变片又分为丝式和箔式两种。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片的灵敏度系数一般高于金属应变片，但稳定性不如金属应变片。图22A、B、C分别是丝式应变片、箔式应变片和半导体应变片的结构。丝式、箔式应变片的结构特点是将敏感应变的电阻丝用不同的工艺方法制作成栅状。图22金属电阻应变片的结构金属应变片对电阻丝材料有较高的要求，一般要求灵敏度系数大，电阻温系数小，具有优良的机械加工和焊接性能等，康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。根据应变片应变测试方向的不同，应变片有多种结构形式，主要有正向、切向、45方向、圆周方向等形式的应变片。应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的，这就要求粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件的应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑应变片和被测件的材料性能，要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，电绝缘性良好，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化等。常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。传统的丝式金属应变片已经很少见，目前常用的是箔式金属应变片这种应变片的制作方式有蚀刻、蒸发和溅射等工艺。21RRK/12K应变片的阻值通常在一百欧姆到几千欧姆之间，金属应变片阻值较小，半导体应变片阻值较大。应变片通常要求有较高的绝缘电阻，一般在50100M以上。应变片的最大工作电流是指应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片发热，使灵敏度系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能、工作环境温度及敏感栅形状和尺寸来决定。通常直流静态测量时取25MA左右，交流或间隙测量时可适当取高当具有初始电阻值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。实验表明，在弹性变形范围内，R/R与轴向应变X的关系满足下式26定义KR/R/X为应变片的灵敏度系数。它表示安装在被测试件上的应变片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X之比。由于受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响，应变片的灵敏度系数K通常小于相应敏感栅整长应变丝的灵敏度系数K。其中最主要的影响因素是敏感栅的结构形状，尤其是栅端圆弧部分横向效应的影响。222横向效应如图23A所示，应变片粘贴在被测试件上时，其敏感栅由N条长度为L1的直线段和端部N1个半径为R的半圆弧组成，则敏感栅对应的金属丝长为NL1N1R。当将敏感栅与等长度直线状的金属丝置于同样的轴向应变X下，并比较其电阻变化时，敏感栅中直线部分NL1与等长度直线状金属丝产生的电阻变化是一致的，但敏感栅的半圆弧段则受到从X到Y图中YX之间变化的应变，有的拉伸，有的反而压缩，其电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度金属丝电阻的变化。图23应变片轴向受力及横向效应TRKA应变片轴向受力图；B应变片的横向效应综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅端部的结构导致电阻变化减小，因而其灵敏度系数K较整长电阻丝的灵敏度系数K小，这种现象称为应变片的横向效应。应变片是利用敏感栅直线段的应变电阻变化完成应变测量的，转弯段不仅降低了灵敏度，还带来测量误差。为了消除转弯段的影响，减小横向效应，可使转弯段“短路”或尽量使转弯段本身的阻值降低，为此，一般多采用箔式应变片的结构，它的转弯段与直线段相比要宽大得多，如图42B所示的结构。223应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差电阻温度系数引起的阻值变化当金属电阻丝的温度变化时，其电阻也将改变。敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可表示为RTR010T27式中RT是温度为T时的电阻值；R0是温度为T0时的电阻值；0是金属丝的电阻温度系数当温度变化T时，电阻的变化为RRTR0R00T28式中，T为温度的变化值，TTT0。电阻丝和应变试件线膨胀系数不同引起的阻值变化当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为S和G，若两者不粘贴，温度变化后的长度分别为电阻丝LSL01ST试件LGL01GT粘在一起时，电阻丝跟随试件改变，附加应变为29附加的电阻变化是210温度系数和线膨胀系数引起的虚应变TSGSG0000GSRKRT由式28和式210，可得由于温度变化而引起的应变片电阻相对变化总量为211211式中，为应变片粘贴后的当量电阻温度系数，有0KGS212对应的虚应变为213电阻应变片的温度补偿自补偿法自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片称之为温度自补偿应变片来进行补偿的。由式212可知，如果应变片金属丝的电阻温度系数0满足0KGS214则温度引起的虚金属丝应变为零，可实现自补偿。由于应变片金属丝的电阻温度系数0与应变栅材料、退火温度等有关，因此当被测试件的线膨胀系数G已知时，如果合理选择敏感栅材料，控制相关工艺参数，即可使电阻温度系数0满足式214的条件。线路补偿法应变片一般用电桥作为转换电路，如图24所示。该电路为单臂电桥，R1是应变片，其余为同阻值的固定电阻。如果R2处接入一个与R1具有相同温度虚应变的电阻，则可起到温度补偿的作用。一般地，通过在不受力的试件上粘贴另一片应变片接入R2位置而达到温度补偿的目的。如果采用半桥、全桥转换电路，电桥本身就能自补偿。另外，将热敏电阻接入电路，通过热敏电阻随温度变化而引起的电阻变化调整供桥电压，使之与温度变化引起的输出变化方向相反可选择正温度系数或负温度系数的热敏电阻，也能起到补偿作用0TTRTK000TGSRTKT图24单臂电桥转换电路23电阻应变式传感器的测量电路231直流电桥电桥平衡条件和调零直流电桥转换电路如图25A所示。当RL时，输出电压为215电桥达到平衡时，输出电压为零，令UO0，由式215得216式216即为直流电桥的平衡条件。图25直流电桥转换电路和调零电路当式216不满足时，输出电压U0不为零，此时需要调零电路完成调零。图25B是典型的直流电桥调零电路，调节电位器RR可以补偿R1、R2、R3、R4间的不平衡。电桥的电压灵敏度单臂电桥的电压灵敏度单臂电桥是将电阻应变片接入电桥的一个桥臂，如图24的R1位置，其余桥臂为固定电阻，则其输出电压为217因为电桥初始状态时是平衡的，有R2/R1R4/R3，令NR2/R1R4/R3为桥比。由于R1/R1很小，则2184321OREU432142413313124ORRUEER12ORNE定义直流电桥电路的灵敏度系数为219欲使电路的灵敏度最大，令，得1N22N1N02200UNK即N1。所以，选择桥臂电阻阻值，使桥比为1，电路灵敏度达到最大。此时的输出电压为221电路的灵敏度系数为222从前面的推导得知，式221的输出电压是式217略去分母中R1/R1项得到的结果，简化后的输出电压UO与电阻相对变化R1/R1之间是线性的。如果不作简化，实际输出电压为223令N1，这一线性化引起的非线性误差为224例如，测量过程中电阻的相对变化R1/R11，当采用单臂电桥作为转换电路时，由式224计算后，得到的非线性误差为L48。它表明电阻的相对变化较大时，这种简化带来的非线性误差将变得非常严重。半桥、全桥的电压灵敏度在试件上粘贴两个工作应变片，一个为受拉应变片，一个为受压应变片，大小相等，方向相反，接入电桥相邻桥臂，将构成半桥电路，如图26A所示；在试件上粘贴四个工作应变片，两个为受拉应变片，两个为受压应变片，分别接入对边桥臂，构成全桥电路，如图26B所示。21OU/NERK1O4RUE101RNE1OO21RUL图26差动电桥转换电路对于图26A所示的半桥电路，输出电压为225若R1R2，R1R2R3R4，则（226）半桥电路的灵敏度系数为227对于图46B所示的全桥电路，输出电压为228全桥电路的灵敏度系数为KUE229例21图27A为传感器上的圆形实芯弹性体，四个应变片粘贴方向为R1、R4轴向，R2、R3圆周向。应变片的初始值R1R2R3R4100，灵敏度系数K2，弹性体的泊松系数0285，当弹性体受拉时，测得R1、R4的变化为R1R402，如将四个应变片如图27B所示接入直流电桥，当电桥供压U2V时，试求电桥的输出UO。图27例41应变片的粘贴与接法解因为弹性体受拉时，R1、R4受到拉伸，圆周向R2、R3受压缩，拉伸压缩比取决于泊松比，所以需要先求得轴向的拉伸应变，再计算圆周321OEU1OEU2UK1ORE向的压缩应变。轴向应变量为圆周S向的应变为所以，与圆半径的相对变化等比，由泊松比的定义有由式26得到R3R2KR20057写出全桥的输出电压表达式，代入数据后得232交流电桥当电桥的供桥电压为交流电压时，电桥的转换电路为交流电桥。与直流电桥比，交流电桥双向供电，有利于消除零漂。所以，实用的电桥转换电路多为交流电桥。图28差动电桥以半桥为例，图28A所示为半桥交流电桥的接法，为交流电压源，由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片上各并联了一个电容，电容C1的阻抗是1/JC1，电容C2的阻抗是1/JC2，C1与R1并联，C2与R2并联，如图28B所示。由并联阻抗的计算公式知，每一桥臂上的复阻抗分别为230Z3R3231Z4R4232310/KRXR24310850XLRV37052015701570124321OU22J1CRZU与直流电桥一样，交流电桥的平衡条件为Z1Z4Z2Z3233即满足234交流电桥中，式234满足时，输出为零；不满足时，输出不为OU零，所以，交流电桥的调零需要同时调节R和C两个参数。图29所示是交流电桥的平衡调节电路，需要同时调节RC和RR，才可补偿电桥阻抗的不平衡。图29交流电桥的调零对于图28A所示的半桥交流电桥，设Z1和Z2是大小相同、变化方向相反的两个阻抗，且有Z1Z0ZZ2Z0Z由于Z3Z4Z0，因此电桥输出为235如果是全桥交流电桥，也可用类似的方法求得输出，此时的电压灵敏度比半桥交流电桥大一倍。12431CROU0000O21ZUU第3章应变传感器的应用31柱筒式力传感器图31A、B分别为柱式拉、压力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片。贴片在圆柱面上的展开位置如图31C所示，纵向粘贴的应变片用于测力，横向粘贴的应变片不受力，接入桥路用做温度补偿。应变片在桥路中的连接如图31D所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上，这种叉开串接的方法有利于减小弯矩的影响，横向贴片R5和R7串接，R6和R8串接，接于另外两个桥臂上。图31D构成一个带温度补偿的半桥。图31柱筒式力传感器32膜片式压力传感器图32A是用压力传感器测量容器内液体重量的示意图。该传感器下端安装感压膜，感受液体的压力。由传压杆传导感压膜的压力，上端安装微压传感器。当容器中的溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。微压传感器等效为一个感压的电桥电路，如图32B所示，此时输出电压为UOKHG336式中K为传感器传输系数；为液体的密度。图32液位高度或液体重量传感器由于HAGQ表征感压膜上面液体的重量，因此337式中Q为容器内感压膜上面溶液的重量；A为柱形容器的截面积。式337表明，电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此用此种方法可以测量容器内储存的溶液重量。AKUO第4章差动放大电路目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计应变片构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。41仪表仪器放大器的选择仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。它只需高精度OP07和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。OP07参数低的输入噪声电压幅度035VPP01HZ10HZ极低的输入失调电压10V极低的输入失调电压温漂02V/具有长期的稳定性02V/MO低的输入偏置电流1NA高的共模抑制比126DB宽的共模输入电压范围14V宽的电源电压范围3V22VOP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。芯片封装如下图OP07芯片引脚功能说明1和8为偏置平衡调零端，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源。42差动放大电路图本设计中差动放大电路结构图如下所用芯片LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。OFFSETNULL1INVERTINGINPUT2NONINVERTINGINPUTE3VCC48OFFSETNULL27VCC6OUTPUT5NCRP343A/D转换在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。实现模/数转换的部件称A/D转换器或ADC。随着大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工程领域的广泛应用，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路不断产生。44A/D转换器的选择常用的几种A/D类型积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。本项目选用双积分型A/D转换器。它是由积分器，比较器，逻辑控制电路，闸门电路，计数器及时钟脉冲源等电路组成。其原理图45电压表部分电路图应用RP3R1R2R3R4R5R6RP1E12345678LM39851K30K30KRP21M注意要点辨认引脚芯片的第一脚，是正放芯片各个节点以及电源的电压芯片引脚的元件数值比例读数第5章用电阻片构成的电子秤工作原理数显电子秤电路原理如图所示，其主要部分为电阻应变式传感器R1及IC2、IC3组成的测量放大电路，和IC1及外围元件组成的数显面板表。传感器R1采用E350ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350O。测量电路将R1产生的电阻应变量转换成电压信号输出。IC3将经转换后的弱电压信号进行放大，作为AD转换器的模拟电压输入。IC4提供L22V基准电压，它同时经R5、R6及RP2分压后作为A/D转换器的参考电压。31/2位A/D，转换器ICL7126的参考电压输人正端，由RP2中间触头引入，负端则由RP3的中间触头引入。两端参考电压可对传感器非线性误差进行适量补偿。元件选择IC1选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精度低温标精密运放OP07IC4选用LM38512V集成块。传感器RI选用E350ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350O。各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。RPI选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。电容中C1选用云母电容或瓷介电容。总结在电子技术的课程设计中，我花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证，结合自己所学，认真解决每一个功能模块中遇到的问题在设计完各个功能模块之后，我用PROTEL99SE绘图软件进行了各个模块的绘制，并最终绘制成一个总的电路原理图。另外，我还用仿真软件PROTEUS6PROFESSIONAL进行某些功能模块的仿真，收到了很好的效果。但由于缺乏实践经验，电路中还有些功能不够完善，有写参数不够精确，而且抗干扰能力也不够好。本次毕业设计除了让在专业知识的学习上有所加深外，对于我们另外的心理修养也进行了一次打磨，比如在最后的论文格式排版方面，需要我们不断地去学习借鉴我们的一些“非专业”知识，以前总是认为我们的办公学得很好了，真正在毕业设计时所出现的问题很多很多，需要我们去短时间的马上学会去解决，这告诉了我们随时随地都要去学习，并且随时随地都需要有一个好的态度，这样我们才能不断地前进。参考文献【1】电子线路CAD实用教程潘永雄沙河，西安电子科技大学出版，【2】传感器应用电路300例，孙余凯吴铭山项绮明，电子工业出版【3】传感器与检测技术，周乐挺高等教育出版传感器应用技术王煜东【4】传感器原理及工程应用（第三版）郁有文【5】检测与控制技术李贵山（直冷式电冰箱的温度测控）【6】测试技术与传感器罗志增（基于光电原理测量的实例）,（基于单片机的硬件特征参数检测系统重庆信息技术职业学院毕业设计（论文）选题审批单院系专业年级班级学生姓名朱婧学号0850090209选题用电阻应变片构成的电子秤的设计选题性质设计论文选题论证指导教师初审意见签名年月日毕业设计（论文）工作领导小组审批意见签名年月日重庆信息技术职业学院毕业设计（论文）开题报告及进度要求院系电子工程学院专业电子信息工程工程年级08电子班级2班学生姓名朱婧学号0850090209指导教师李书安选题性质设计论文选题用电阻应变片构成的电子秤的设计选题的目的和意义电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便成成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点。是家庭购物使用的首选。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，