板环式拉力传感器课程设计

湖南科技大学传感器与测控电路课程设计

说明书设计题目：板环式拉力传感器学院名称： 机电工程学院专业班级： 10级测控3班学生姓名： 指导教师姓名：杨书仪余以道2013年6月12日目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1\o"CurrentDocument"设计任务书 1第一章德普施应变式传感器 2\o"CurrentDocument"1.1工作原理 3\o"CurrentDocument"1.2电阻应变片 4\o"CurrentDocument"第二章测量电路 5\o"CurrentDocument"2.1测量电桥 6\o"CurrentDocument"2.2运算放大器LF356 72.3放大电路 72.3.1一级放大电路 82.3.2调零电路 92.3.3可调二级放大电路 10第三章测量资料及测量仪的标定 11\o"CurrentDocument"3.1测量参数 12\o"CurrentDocument"3.2测量仪的标定 13\o"CurrentDocument"第四章误差分析 13\o"CurrentDocument"第五章个人小结 14\o"CurrentDocument"参考文献 15摘要传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大的促进了现代传感器的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的应用越来越广泛，可以说它已成为测试测量不可或缺的环节。因此学习、研究并在实践中不断应用传感器技术具有重大意义。鉴于此，本次课程设计力图通过对常用传感器的设计运用使我们加深对传感器的认识和理解并逐步将课本上学习到的理论知识转换为实际生产力，以培养我们学以致用的求学质量。拉力传感器是用来将重量信号或拉力信号转化为电信号的装置，拉力传感器采用金属电阻应变计组成测量桥路，利用金属电阻丝在拉力作用下伸长变细，电阻增加的原理，既金属电阻随所受应变变化而变化的效应而制成的。本次课程设计中的传感器共由以下几部分组成：全桥电路、差动放大电路、调零电路和最后的放大标定电路。设计任务书应变式传感器具有精度高、测量范围广、结构简单质轻便携、能适应恶劣的工作条件、价格低廉品种多样等优点。缺点是输出信号微弱易受干扰等，但可采取一定的补偿措施。所以它是非电量电检测技术中应用最广泛和最有效的敏感组件，广泛地应用于工程测量和科学实验中。设计要求：本次课程设计要求利用电阻应变原理设计一个板环式拉力传感器，要求电路的输出值（mv）与被测物体所受拉力（F）数值上相等，并输出稳定，消除零漂。设计原理：当被测物受到外界的拉力而产生微小变形时，会导致贴在弹性体上的应变片发生形变，则应变片的阻值发生变化。应变片的阻值发生变化将使差动全桥电路的输出电压不为零，且此值与应变片的形变呈线性关系，即与物体所受拉力呈线性关系。由于全桥输出的电压值很小，必须经放大电路放大。放大电路的输出电压值也与物体所受拉力呈线性关系，最终实现了由非电量到电量的转化。

设计所需组件：德普施应变传感器一台LM356运算放大器3个导线、电阻若干滑动变阻器3个（1KQ一个、50KQ一个）电路板一块万用表一台直流电源（+5V、+12V、-12V）第一章板环式拉力传感器1.1工作原理板环式拉力传感器的工作原理：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。板环式拉力传感器的优点：量程大，结构简单，易于使用，频响特性好，能在恶劣条件下工作。因此它广泛应用于起重、起吊行业中。1.2电阻应变片设有一段长为I，横截面积为s，电阻率为P的固态导体，它具有的电阻R为R=Pi/s(i—I)(11)当它受轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其I、s、p均发生变化，对上式两边取对数后再微分，可求得电阻相对变化TOC\o"1-5"\h\zAR/R=Ap/p+Ai/i-As/s (1—2)由s=n*rA2得As/s=2Ar/r (1一3)由材料力学Ar/r=-^Ai/i (1—4)综合上述各式可得AR/R=Ap/p+Ai/i+2|1Ai/i=K*Ai/i(1—5)其中K=1+2"(Ap/p)/(Ai/i)式1—5说明了电阻应变片的电阻变化率和电阻丝伸长率的关系。其中K值为应变计的灵敏系数。它表示：安装在被测试件上的应变计，在其轴向受到单向应力时引起的电阻相对变化，与此单向应力引起的试件表面轴向应变之比。但灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的固有性质所决定的，与应变片的形状、尺寸大小无关。第二章测量电路2.1测量电桥由于应变片的电阻值会随温度的变化而变化，从而影响传感器的性能，所以必须采取温度补偿措施。我们采用的是差动全桥电路输出。差动电桥是利用电桥输出特性中呈现的相对臂与相邻臂之间的“和”、“差”特征，通过应变片的合理布片与接桥来达到温度补偿的目的。电路原理图如图所示，其中R1=R2=R3=R4，Ui=5V。经测量发现传感器受到外界拉力后，红白两应变片的输出电压增大，蓝黑两应变片的输出电压减小，说明红白两应变片贴在弹性体上方受拉应力，蓝黑两应变片贴在弹性体下方受压应力。所以接入电桥相对臂受拉（AR1/R1，AR4/R4）相邻臂应变片受压（-AR2/R2， -AR3/R3）则有Uo=Ui/4（AR1/R1-AR2/R2+AR3/R3-AR4/R4）。从式中可见当温度引起相同的阻值变化时，既AR1=AR2=AR3=AR4，输出值U0不变，从而起到温度补偿作用。【1】Rl+AR R2-ARUo41 R3—AR R4-HAR 0Uioc 全桥输出2.2运算放大器LM356LF356功能介绍：LF356芯片如图2—1所示，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LF356具有非常低的输入失调电压，所以LF356在很多应用场合不需要额外的调零措施。可替代昂贵的和模块FET运算放大器；与MOSFET输入运算放大器设备相比，耐用的JFET允许无熔断处理；高或低的源阻抗低1/f折，优良的低噪声应用；在大多数单片放大器上，偏置调整不可降解漂移或共模抑制； 新输出电路级允许大电容负载(5000pF)的使用，无稳定性的问题；内部补偿和大的差分输入电压能力；对数放大器；光电放大器；采样保持电路共同特点；低输入偏置电流：30pA；低输入失调鞯电流3pA；高输入阻抗：101&；低输入噪声电流：0.01pA/"HZ；高共模抑制比：100dB；大的DC电压增益：106dB，频率：4.5MHz。图2—12・3放大电路由于应变式传感器的输出信号很微弱，只有几mv,很难用电压表测量。因此，为了便于测量并提高测量精度，必须接入放大电路。另外由于仪器本身的误差，在传感器未受到外界拉力时，仍会有一电压输出值，既零位电压，应设法利用电路消除。桥路输出放大电路如

图2—2所示，下面将逐级分析电路的组成和作用。【2】图2—22.3.1一级放大电路一级放大电路如图2—3所示，这是利用LF356运算放大器构成的一差动放大电路。输出值Uo1=-10Ui。由于应变式传感器的输出电压很小，很难通过调节滑动变阻器得到一个与它相等的值，因而必须适当放大，这个电路将电桥输出电压值适当放大，为下一级的调零电路铺垫。其放大倍数为100K/10K=10。

【3】图2—32.3.2调零电路电路图如图2—4所示，这是利用LF356运算放大器构成的加减法电路，用来消除零位电压。通过调节滑动变阻器，使得放大器的正负两端输出的电压相等，由于其符号相反，则总的输出电压为零。即实现了调零。LQK10K-5 GND图2—42.3.3可调二级放大电路电路图如图2—5所示，可通过调节滑动变阻器阻值来调整放大倍数，其最大放大倍数为50，倍数可调范围较大，从而能使输出电压（mv）与被测物体收受拉力（F）在数值上相等。即实现本设计中的标定。 'IKG6图2—510,20,30,40t10,20,30,40t2.0±0.002mv/v±0.05%F.S±0.05%F.S±1%F.S±0.05%F.S/10°C±0.05%F.S/10°C400±10Q352±5Q>5000MQ-30〜+70C150%F.S200%F.S10〜12VDC15VDCIP67合金钢AlloySteel第三章测量参数和测量仪的标定3.1测量参数额定载荷RatedLoad灵敏度Sensitivity综合误差Totalerror蠕变(30分钟)Creep(30min)零点平衡Zerobalance零点温度影响TCO输出温度影响TCSPAN输入阻抗Inputresistance输出阻抗Outputresistance绝缘电阻碍Insulationresistance工作温度范围内OperatingTempRange安全过载Safeloadlimit极限过载Overloadlimit推荐激励电压Recommendexcitation最大激励电压Maximumuexcitation密封等级ProtectionClass材质Construction电缆Cable3.2测量仪的标定线性度：1.4886/1004.5X100%=0.15%灵敏度：K=2.0回差：3.2144/1004.5X100%=0.32%零漂:2mv第四章误差分析误差的形成主要来源于温度误差，其次是放大器的失调电压和失调电流。造成温度误差的原因主要有以下两个：电阻应变片随温度变化引起的误差1、 试件材料与应变丝材料的膨胀系数不同使应变片产生附加拉长或压缩，引起电阻变化。这样的温度误差可以通过桥路进行补偿，如本设计中的差动全桥电路就很好的实现了温度补偿。2、 电桥本身具有非线性误差，相对于金属丝应变片的误差，电桥非线性误差可以忽略，所以也不影响本次设计。最后对于低频干扰，我们尽量通过电路的优化除去干扰。因此，从理论上说，本次设计的误差还是得到了比较好的控制。第五章个人小结两个星期的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，我学会了如何使用AUTOCAD和用ProtelDXP画图，这使我很有成就感。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.通过这次电子称的设计，本人在多方面都有所提高。首先综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次电子称设计工作的实际训练从而培养和提高了我的独立工作能力，巩固与扩充了课程所学的内容，掌握了传感器设计的方法和步骤，掌握了如何将运算放大器的调零和电压失调，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的余以道老师.和杨书仪老师，老师们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次传感器设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个