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1、武汉理工大学传感器原理及应用课程设计说明书1绪论1.1概概述传感器技技术是利利用各种种功能材材料实现现信息检检测的一一门综合合技术学学科，是是在现今今科学领领域中实实现信息息化的基基础技术术之一。现现代测量量、控制制与自动动化技术术的飞速速发展，特特别是电电子信息息科学的的发展，极极大地促促进了现现代传感感器技术术的发展展。同时时我们也也看到，传传感器在在日常生生活中的的运用越越来越广广泛，可可以说它它已成为为了测试试测量不不可或缺缺的环节节。因此此，学习习、研究究并在实实践中不不断运用用传感器器技术是是具有重重大意义义的。1.2设设计任务务分析采用电阻阻应变片片设计一一种电阻阻应变式式质量（
2、压压力）传传感器，具具体要求求如下：1. 正确选取取电阻应应变片的的型号、数数量、粘粘贴方式式并连接接成交流流电桥；2. 选取适当当形式的的弹性元元件，完完成其机机械结构构设计、材材料选择择和受力力分析，3. 并根据测测试极限限范围进进行校核核；4. 完成传感感器的外外观与装装配设计计；5. 完成应变变电桥输输出信号号的后续续电路（包包括放大大电路、相相敏检波波电路、低低通滤波波电路）的的设计和和相关电电路参数数计算，并并绘制传传感器电电路原理理图；6. 按学校课课程设计计说明书书撰写规规范提交交一份课课程设计计说明书书（60000字字左右）；7. 按机械制制图标准准绘制弹弹性元件件图（44号
3、图纸纸），机机械装配配图各一一张（33号图纸纸）；2方案设设计2.1原原理简述述电阻应变变式传感感器为本本课程设设计的主主要部件件，传感感器中的的弹性元元件感受受物体的的重力并并将其转转化为应应变片的的电阻变变化，再再利用交交流全桥桥测量原原理得到到一定大大小的输输出电压压，通过过电路输输出电压压和标准准重量的的线性关关系，建建立具体体的数学学模型，在在显示表表头中将将电压（VV）改为为质量（kkg）即即可实现现对物品品质量的的称重。本次课程程设计所所测质量量范围是是0-110kgg，同时时也将后后续处理理电路的的电压处处理为与与之对应应的0-100V。由由于采用用了交流流电桥，所所以后续续电
4、路包包括放大大电路，相相敏检波波电路，移移相电路路，波形形变换电电路，低低通滤波波电路（显显示电路路本次未未设计）。原理框图图如图一一所示。数显表头过零比较器相敏检波移相器放大器5KHZ交流交流电桥电阻应变片（质量）压力低通滤波图一 原原理框图图 2.22应变片片检测原原理电阻应变变片（金金属丝、箔箔式或半半导体应应变片）粘粘贴在测测量压力力的弹性性元件表表面上，当当被测压压力变化化时，弹弹性元件件内部应应力变形形，这个个变形应应力使应应变片的的电阻产产生变形形，根据据所测电电阻变化化的大小小来测量量未知压压力，也也实现本本次设计计未知质质量的检检测。设一根电电阻丝，电电阻率为为，长度度为,截
5、截面积为为S，在在未受力力时的电电阻值为为 R= - 图二 金金属丝伸伸长后几几何尺寸寸变化如图二所所示，电电阻丝在在拉力FF作用下下，长度度增加，截截面S减减少，电电阻率也也相应变变化，将将引起电电阻变化化R，其其值为=-对于半径径r为的的电阻丝丝，截面面面积SS=，则则有=。令电电阻丝的的轴向应应变为，径径向应变变为，由材料料力学可可知，为为电阻丝丝材料的的泊松系系数，经经整理可可得=（1+2-通常把单单位应电电所引起起的电阻阻相对变变化称为为电阻丝丝的灵敏敏系数，其其表达式式为= -从可以以明显看看出，电电阻丝灵灵敏系数数由两部部分组成成：受力力后由材材料的几几何尺寸寸受力引引起；由由材
6、料电电阻率变变化引起起的。对对于金属属丝材料料，项的的值比小小很多，可可以忽略略，故。大大量实验验证明，在在电阻丝丝拉伸比比例极限限内，电电阻的相相对变化化与应变变成正比比，即为为常数。通常金属属丝的=1.773.6。可写成成=-2.3弹弹性元件件的选择及设设计本次课设设对质量量的检测测是通过过对压力力的检测测实现的的，所以以弹性元元件承受受物重也也即压力力，这就就要求弹弹性元件件具有较较好的韧韧性、强强度及抗抗疲劳性性，通过过查设计计手册，决决定选取取合金结结构钢330CrrMnSSiNii2A，其其抗拉应应力是117000Mpaa，屈服服强度是是10000Mppa，弹弹性模量量是2111G
7、ppa。同时本次次课设选选取弹性性元件的的形式为为等截面面梁，其其示意图图如图三三所示图三 等等截面梁梁作用力FF与某一一位置处处的应变变关系可可按下式式计算：式中：距自自由端为为处的应应变值；梁的的长度； EE梁的的材料弹弹性模量量； bb梁的的宽度； hh梁的的厚度。通过设计计，选取取=200mm,=144mm,b=110mmm,h=3mmm现校核如如下： 因此此，选取取是合理理的。2.4应应变片的的选择及及设计从理论学学习中知知道，箔箔式应变变片具有有敏感栅栅薄而宽宽，粘贴贴性能好好，传递递应变性性能好；散热性性好，敏敏感栅弯弯头横向向效应可可以忽略略；蠕变变，机械械滞后小小，疲劳劳寿命
8、长长等优点点，所以以非常适适合本次次课设的的应用。选选择4片片箔式应应变片（BBX1220-002AAA）阻值值为1220，其基基底尺寸寸是（）。同时时敏感珊珊的材料料选择铂铂因为其灵灵敏系数数达，且其最高高工作温温度可以以达800多多摄氏度度，栅长长做到00.5mmm。应变片粘粘贴在距距自由端端处，RR1和RR4粘贴贴在梁的的上方承承受正应应变，RR2和RR3则与与之对应应粘贴在在下方承承受负应应变。粘粘贴剂选选择环氧氧树脂粘粘贴剂。基底材料料选择胶胶基，厚厚度为00.033mm-0.005mmm。引线材料料采用直直径为00.155-0.18mmm的铬铬镍金属属丝引线线。最后在安安装后的的应
9、变片片和引线线上涂上上中性凡凡士林油油做防护护作用，以以保证应应变片工工作性能能稳定可可靠。这样最大大应变为为：因此是符符合的。且交交流电桥桥的最大大输出输输入比为为：3单元电电路的设设计3.1电电桥电路路的设计计 为了了实现对对应变片片的温度度补偿，因因此选择择全桥电电路作为为测量电电路，将将4片应应变片接接入电桥。桥路路图如图图四所示示。其次次，考虑虑到连线线导线分分布电容容的影响响及交流流电桥的的初始平平衡性问问题（无无称重时时电桥输输出应为零），应应在桥路路中采取取调零电电路。桥桥路接法法如图四四所示，RR5和CC2即是是实现调调零用的的，取CC2=11uF，RR5=11.8kk。 电
10、桥桥输出为为 交交流电源源频率选选择为55KHZZ,现使使桥路最最大输出出为100mV，则则电压幅幅值为：图四 交交流电桥桥3.2放放大电路路的设计计由于传感感器输出出的电压压比较小小，因此此需对其其进行放放大使之之满足后后续电路路的处理理要求。鉴于传感感器输出出可能杂杂有共模模电压，为此，选取具有高共模抑制比的AD620作为放大器来达到净化信号电压和充分节约成本和制造的空间的目的。电路图如如图五所所示。图五 放放大电路路其放大增增益为： 为了将将10mmV的电电压放大大到100V，需需要放大大10000倍，为为此选择择分配级级为这里放大大50倍倍，因此此解得RR4=11.0008k。3.3移
11、移相器的的设计因为电桥桥电路输输出的电电压对载载波信号号有一定定的超前前角，一一般为几几度到几几十度，因因此在把把载波信信号作为为相敏检检波的参参考电压压前需对对其进行行一定的的移相处处理图六为00-900的移相相电路。 图六 移相电电路若设R112调节节后的有有效电阻阻为R，则移相相的推导导为：因为的数数量级为为，所以以可以取取C3=1000uF,这样RR（R112）可可以设定定在5000范围，即即实现相相角在00-900移动。上上式中，。 所所以移相相电路不不改变幅幅值。 3.44过零比比较器的的设计在进行相相敏检波波时，我我们更希希望参考考电压整整形为方方波，这这样便于于比较，因因此设置
12、置一个过过零比较较器LMM3399实现这这一功能能。电路路图如图图七所示示。图七 过过零比较较器3.5相相敏检波波电路的的设计由于采用用的交流流电压不不能实现现对压力力方向的的判别，所所以要利利用相敏敏检波的的鉴相特特性达到到这一目目的。电路图如如图八所所示。图八 相相敏检波波电路从图示知知道，用用JFEET 做做开关器器件，当当0时时，其导导通，UU4A正极极为0电电位，信信号从负负极输入入，放大大倍数为为，此时时0；当00时，JJFETT截止，信信号从正正极输入入，放大大倍数为为1，此此时00。因此此，相敏敏检波实实现了信信号的判判别，只只是与原原信号相相差一个个负号。3.6低低通滤波波器
13、的设设计由于经过过相敏检检波后的的电压还还混有高高频载波波信号，所所以需将将其滤掉掉，又因因为相敏敏检波后后输出的的电压与与原信号号差一个个负号，所所以选择择反相一一阶有源源低通滤滤波器，这这样就可可以得到到真正反反映原信信号的直直流输出出。低通滤波波器截止止频率设设为400HZ。电电路图如如图九所所示。图九 低低通滤波波电路 若取RR10=1k，则由由 可解解得C11=4uuF，另另外取R9=50，则此此环节实实现的放放大倍数数是，则则实现了了放大倍倍数的另另一级分分配，也也还原了了原始信信号的相相位。 所以以至此，就就实现了了原始信信号的测测量处理理，即能能够通过过将质量量为0-10kkg
14、（也也即压力力为0-1000N）的的物体作作用于弹弹性元件件（等截截面梁）并并通过应应变片使使其电阻阻发生变变化进而而使后续相相关电路路产生对对应的00-100V的电电压实现现对物体体的称重重，也即即1kgg物体对对应1VV的电压压。将低低通滤波波后产生生的直流流电压接接入数显显表头就就可直观观地看出出物体质质量的大大小。4误差分分析误差的形形成主要要来源于于温度误误差，造成温温度误差差的原因因主要有有以下两两个：1、 敏感栅电电阻随温温度变化化引起误误差2、 试件材料料与应变变丝材料料的线膨膨胀系数数不同，使使应变丝丝产生附附加拉长长或压缩缩，引起起电阻变变化。 这样样的温度度误差可可以通过
15、过桥路进进行补偿偿，如本本设计中中的全桥桥电路就就很好地地实现了了温度的的补偿其次，电电桥还具具有非线线性误差差，由于于对金属属丝电阻阻应变片片，电桥桥非线性性误可以忽略略，所以以也不影影响本次次设计。 最后，对对于如同同工频等等的干扰扰，我们们尽量通通过电路路的优化化除去干干扰，如如通过高高共模抑抑制比仪仪放以及及低通滤滤波器进进行改进进。 因此此，从理理论上说说，本次次课设中中的误差差还是比比较好地地得到了了控制。5心得体体会通过这次次课设，我我进一步步体会到到了工具具的重要要性，这这包括软软件操作作工具书等等方面。因因为我们们不可能能学富五五车，因因而就有有必要翻翻阅文献献资料，如如设计
16、用用到的相相关书籍籍，标准准手册等等等。同时，具具备较好好的计算算机水平平也会给给我们带带来巨大大的益处处，比如如数学公公式的编编辑，图图形的绘绘制等等等。但反反过来说说，通过过这样的的课程设设计，也也会加深深我们对对工具的的了解和和形成对对其客观观的认识识，我想想这对我我们以后后在工作作和生活活中有比比较好的的视野和和思维是是有巨大大帮扶作作用的。 总之，本本次课设设不仅加加强了我我对传感感器的认认识，更更重要的的是，它它让我掌掌握了做做设计应应有的环环节与步步骤，也也使我懂懂得了如如何去结结合理论论知识分分析解决决现实问问题，同同时也让让我学到到了很多多以前没没有接触触到的知知识和相相关计算算机方面面的操作作。9