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1、前言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，使使用方便便，性能能稳定、可可靠；2. 易于实现测测试过程程自动化化合多点点同步测测量、远远距离测测量和遥遥测；3. 灵敏度高，测测量速度度快，适适合静态态、动态态测量；4. 可以测量多多种物理理量。电阻应变式式传感器器的结构构和工作
2、作原理很很简单。电电阻应变变式式传传感器由由弹性敏敏感元件件与电阻阻应变片片构成。弹弹性元件件在感受受被测量量时将产产生变形形，其表表面产生生应变。而而粘贴在在敏感元元件表面面的电阻阻应变片片将随着着弹性敏敏感元件件产生变变形，因因此电阻阻应变片片的电阻阻值也产产生相应应的变化化。这样样，测量量电阻应应变片的的电阻值值变化就就可以确确定被测测量的大大小了。设计的传传感器的的技术参参数：最大量程程：100MPaa精度：11级最大工作作频率：30KHHz第一章 电电阻应变变敏感元元件的设设计1.1 电电阻-应变特特性我们知道金金属丝的的电阻可可表示为为 (1.11)式中R-金属属丝的电电阻；-金属
3、属丝的电电阻率（mm/m）；L-金金属丝的的长度(m);F-金金属丝的的截面积积。如图图11示，图11金金属导体体受力变变形情况况 考虑到到金属材材料的泊泊松效应应，经数数学变换换可以得得到金属属丝的电电阻应变变特性即（1.2）令（11-3）称为金属丝丝的灵敏敏系数，表表征金属属丝产生生单位变变形时电电阻相对对变化的的大小。由由于目前前还不能能用确切切的表达达式给出出，因此此都由实实验测得得。实验验表明，在在金属丝丝变形的的弹性范范围内，电电阻相对对变化与与应变式式成正比比的，故故是一个个常数。所所以式（11-3）以以增量表表示为（1-4）金属丝做成成敏感栅栅时，其其电阻应变特特性就与与直线时
4、时不同了了，实验验表明，应应变片的的与的关系系在很大大范围内内仍有很很好的线线性关系系，即(1-5)式中为电阻阻应变片片的灵敏敏系数。因为应变片存在横向效应所以。1.2 应应变片的的选择1.应变片片材料的的选择（1）灵敏敏系数和和电阻率率要尽可可能高而而稳定，电电阻率与与机械应应变之间间应该具具有良好好而宽广广的线性性关系，即即要求在在很大范范围内位位常数；（2）电阻阻温度系系数要小小，电阻阻温度间间的线性性关系和和重复性性好；（3）机械械强度高高，辗压压及焊接接性能好好，与其其他金属属之间接接触热电电势小；（4）抗氧氧化、耐耐腐蚀性性能强、无无明显机机械滞后后。制作应变片片敏感栅栅常用的的材
5、料有有康铜、镍镍铬合金金、铁镍镍铬合金金、贵金金属（铂铂、铂钨钨合金等等）材料料等，材材料的性性能见表表11.表表11常见见应变电电阻合金金材料性性能表由上表，选选择康铜铜箔片作作为敏感感栅材料料。康铜铜这种材材料容易易得到，价价格便宜宜，其电电阻温度度系数较较小。2.应变片片基底材材料基底的作用用是固定定应变计计的敏感感栅，使使它保持持一定的的几何形形状，并并使电阻阻敏感栅栅与弹性性元件相相互绝缘缘。所以以它是电电阻应变变计的重重要组成成部分。应应变片基基底材料料有纸和和聚合物物两大类类，纸类类逐渐被被胶基（有有机聚合合物）取取代，因因为胶基基各方面面性能都都好于纸纸基。胶胶基是由由环氧树树
6、脂、酚酚醛树脂脂和聚酰酰亚胺等等制成膜膜，厚约约0.0030.005mmm.对基基底材料料性能的的要求有有如下要要求：（1） 机械强度高高，挠性性好；（2） 粘贴性能好好；（3） 电绝缘性能能好；（4） 热稳定性好好和抗湿湿性好；（5） 无滞后和蠕蠕变。所以可以选选用玻璃璃纤维布布作为基基底材料料。3.引线材材料引出线是连连接敏感感栅和测测量线路路的丝状状或带状状的金属属导线，一一般要求求引出线线材料具具有低的的稳定的的电阻率率及小的的电阻温温度系数数。常温温应变计计引出线线多用镀镀银紫铜铜丝或铜铜带，高高温应变变计多采采用镍铬铬、银、铂铂或铂铬铬等。高高疲劳寿寿命的应应变计采采用铍青青铜作引
7、引出线。引引出线与与敏感栅栅的连接接，可以以用锡焊焊、电弧弧焊、电电接触焊焊等。康康铜丝敏敏感栅应应变片引引线采用用直径为为0.0050.118mmm的银铜铜丝，采采用点焊焊焊接。4.粘合剂剂电阻应变片片工作时时总是被被粘贴在在试件或或传感器器的弹性性元件上上。在测测试被测测量时粘粘合剂所所形成的的胶层起起着非常常重要的的作用，它它应准确确无误地地将试件件或弹性性元件的的应变传传递到应应变片的的敏感栅栅上去。所所以粘合合剂与粘粘贴技术术对于测测量结果果有直接接作用。 粘合剂剂的要求求有：（1）有有一定的的粘结强强度；（2）能能准确传传递应变变；（3）蠕蠕变小；（4）机机械滞后后小；（5）耐耐疲
8、劳、性性能好（6）长长期稳定定性好；（7）能能够足够够的稳定定性能；（8）对对弹性元元件和应应变片不不产生化化学腐蚀蚀作用（9）有有适当的的贮存期期（100）有较较大的使使用温度度范围。在实际上不不可能满满足所有有的要求求只能针针对具体体条件和和主要性性能要求求选用适适当的粘粘合剂。5.应变极极限对于已安装装好的应应变计，在在一定温温度下，指指示应变变与被测测试件真真实应变变的相对对误差不不超过一一定值（一一般为110%)时，所所能测量量的最大大真实应应变值称称为应变变极限。我我们要求求应变片片的应变变极限至至少要大大于1000010-66。影响应变极极限的主主要因素素是粘结结剂和基基底材料料
9、传递变变形的能能力，以以及应变变片的安安装质量量。为了了减小此此影响，应应选用抗抗剪强度度较高的的粘结剂剂和基底底材料，以以及合理理的粘贴贴安装。基基底和粘粘结剂的的厚度不不要太大大，并应应适当地地进行固固化处理理，才能能获得较较高的应应变极限限。而工工作温度度的升高高会使应应变极限限下降。6.应变片片的电阻阻值是指未安装装的应变变片，在在不同的的外力作作用下，在在室温条条件下测测定的电电阻值，也也称为原原始电阻阻值，单单位为。应应变片电电阻值国国内标准准有：660、1120、3350、6600和和10000等各各种阻值值，目前传传感器生生产中大大多数选选用120 或350 的应变变片，但但是
10、由于于大阻值值应变片片具有通通过电流流小、自自热引起起的温升升低、持持续工作作时间长长、动态态测量信信噪比高高等优点点，并且且大阻值值应变片片可以减减小应变变焦耳热热引起的的零漂，提提高传感感器长期期使用的的稳定性性。因此此，在不不考虑价价格因素素的前提提下，使使用大阻阻值应变变片，对对提高传传感器精精度是有有益的。我我们选用用电阻值值为1220的 应应变片。7.应变片片基长的的确定当应变波为为正弦波波时，其其波幅测测量误差差为（11-55）上式中-正弦弦应变波波长；-应变变片基长长；由上式可知知，测量量误差与与应变波波长对基基长的比比值有关关。为使使测量误误差尽量量小，使使，将展开开成级数数
11、并略去去高阶小小量后，得得（16）金属应变片片贴在试试件材料料上（是是常量），对对于正弦弦波的响响应误差差随着栅栅长和频频率的增增加而增增加，按按给定精精度确定定和：（17）（18）因此基长应应尽量短短才能更更好地测测量出应应变值。按照设定的的最高工工作频率率=30KKHz,精度等等级为11级，对于低碳钢钢，=550000，于是是=13。1.3 应应变片的的结构选选择应变片的结结构形式式很多，主主要有丝丝式应变变片、箔箔式应变变片、半半导体应应变片等等。下图图分别是是上述应应变片的的结构示示意图。图1-2 丝式式应变片片图13箔式应应变片图114半导体体应变片片比较三种电电阻应变变片的特特点：
12、丝式应变片片：制作作简单、性性能稳定定、价格格便宜、易易于粘贴贴。但回回线式应应变片横横向效应应大，而而短接式式应变片片焊点多多，在冲冲击、振振动条件件下，易易在焊接接处出现现疲劳破破坏，对对制造工工艺的要要求高。箔式应变片片：表面面积大、散散热性能能好，静静态、动动态特性性好，可可通过较较大工作作电流，横横向效应应小，蠕蠕变、机机械滞后后小，疲疲劳寿命命高，但但工艺复复杂。半导体应变变片：灵灵敏系数数大，动动态特性性好，但但重复性性及温度度、时间间稳定性性较差，应应变时非非线性严严重，互互换性差差。根据测量条条件，选选用丝式式应变片片作为敏敏感元件件。第二章弹弹性元件件设计2.1弹性性元件材
13、材料选择择弹性敏感元元件在传传感器中中因为直直接参与与变换和和测量，所所以对它它有一定定要求。在任何情况况下，它它应该保保证有良良好的弹弹性特性性，足够够的精度度和稳定定性，在在长时间间中使用用和温度度变化时时都应该该保持稳稳定的性性能。因因此对材材料的基基本要求求是：（1）弹性性滞后和和弹性后后效小；（2）弹性性模数和和温度系系数要小小；（3）线膨膨胀系数数要小且且稳定；（4）弹性性极限和和强度极极限要高高；（5）具有有良好的的稳定性性和耐腐腐蚀性；（6）具有有良好的的机械加加工性能能和热处处理性能能。表21 常用弹弹性材料料的温度度性能在本传感器器中的弹弹性元件件材料选选择为低低碳钢。2.
14、2 弹弹性元件件尺寸的的计算如图2-11所示为为筒式压压力传感感器的敏敏感元件件 图2-1 筒筒式压力力传感器器弹性元元件由理论力学学知道筒筒形薄壁壁压力容容器（2.1）其中-圆周周方向的的拉伸应应力；-筒内内部工作作压力；-筒内内径；-筒壁壁厚。由所选用的的弹性材材料，查查表其=3445MPPa,取取安全系系数2.6得其其许用应应力.根据设定传传感器的的最大测测量范围围为=110MPPa，选定内内径为=50。于是是（2.2）即实际取。在筒臂较薄薄的强况况下计算算筒的环环向应变变： (2.3)其中，取泊泊松比为为，计算算得出我们知道薄薄壁圆筒筒振动的的固有频频率为(2.4)其中-圆筒筒部分长长
15、度；-圆筒筒内半径；-圆筒筒材料的的弹性模模量，对对于低碳碳钢为2208GGPa;-圆筒筒材料的的密度,对于低低碳钢为为。根据传感器器设定的的最大工工作频率率，并且且为避免免共振现现象发生生应使传传感器工工作频率率远离固固有频率率一般应应使。于于是将数数据带入入式（22.4）算算得。第三章 电桥及测测量电路路的设计计3.1 电电桥的设设计根据选择的的传感器器弹性元元件的形形状选择择的电桥桥为单臂臂电桥（直直流电桥桥），如如图31所示示。 图图31 单单臂电桥桥图31的的电桥是是由直流流电压供供电的直直流电桥桥，其中中第一臂臂是应变变片。应应变片未未承受应应变此时时的阻值值是,电桥处处于平衡衡状
16、态，电电桥输出出电压为为。当承承受应变变时，产产生的变变化，电电桥变化化不平衡衡电压输输出：即(3.1)由平衡初始始条件并并设，略略去微小小量，有有输出电电压（3.2）电桥灵敏度度（3.3）分析式（33.2）和和式（33.3）得知（1）电电桥电压压灵敏度度正比于于电桥供供电电压压, 供电电电压越越高, 电桥电电压灵敏敏度越高高, 但供供电电压压的提高高受到应应变片允允许功耗耗的限制制, 所以以要作适适当选择择;（2）电桥桥电压灵灵敏度是是桥臂电电阻比值值n的函数数, 恰当当地选择择桥臂比比n的值, 保证电电桥具有有较高的的电压灵灵敏度。于是要使灵灵敏度最最大可用用灵敏度度对求偏导导数，求求得，
17、这这样(3.4)(3.5)考虑到温度度变化对对测量结结果有很很大的影影响，必必须进行行温度的的补偿，选选用如图图32的热热敏电阻阻补偿法法。 图32 热热敏电阻阻补偿法法热敏电阻处处在与应应变片相相同的温温度条件件下，当当应变片片的灵敏敏度随温温度升高高而下降降时，热热敏电阻阻的阻值值也下降降，使电电桥的输输入电压压随着温温度升高高而增加加，从而而提高电电桥的输输出，补补偿因应应变片引引起的输输出下降降。选择择分流电电阻的值值，可以以得到良良好的补补偿。3.2 信信号处理理电路的的设计在从敏感元元件中输输出的信信号一般般是比较较微弱的的，而且且往往还还含有各各种噪声声，如果果噪声与与信号强强度
18、处在在同一数数量级那那么信号号极易被被噪声淹淹没，所所以必须须要信号号处理电电路（或或调制解解调电路路）。信号处理电电路的基基本流程程如图333所示示。图33 信号处处理电路路流程图图传感器的基基本工作作流程为为：从传传感器输输出的经经过调制制的信号号很微弱弱经过放放大器放放大之后后信号放放大；放放大后的的信号含含有大量量的噪声声信号需需要经过过检波电电路检出出幅值的的包络线线；经检检波的信信号再由由滤波电电路处理理可得出出信号的的幅值；最后信信号送指指示或显显示器件件。1.放大电电路的设设计传感器的输输出电信信号是很很微弱的的，且与与电路之之间的连连接有一一定的距距离。传传感器有有内阻，电电
19、缆也有有电阻，这这些电阻阻和放大大电路等等产生的的噪声以以及环境境噪声都都会对放放大电路路造成干干扰，影影响其正正常工作作，因此此对测量量放大电电路的基基本要求求是：（1）测测量放大大电路的的输入阻阻抗与传传感器的的输出阻阻抗要相相匹配；（2）稳稳定的放放大倍数数；（3）低低噪声；（4）低低的输入入失调电电压和输输入失调调电流，以以及低的的漂移；（5）足足够的带带宽和转转换速率率（无畸畸变地放放大瞬态态信号）；（6）高高共模抑抑制比和和高共模模输入范范围；（7）可可调的闭闭环增益益；（8）线线性好，精精度高；（9）成成本低。为使测量更更加可靠靠测量放放大电路路选择通通用集成成放大器器组成形形式
20、的放放大电路路，这种种形式的的放大电电路具有有精度高高、调节节方便、性性能价格格比好等等优点。如图344所示为为设计的的放大电电路。图34高输输入阻抗抗搞共模模抑制比比放大电电路上图所示的的电路具具有很高高的输入入阻抗很很高的共共模抑制制比并且且开环增增益也很很高；失失调电压压、电流流、噪声声和漂移移都很小小。,组成第第一级同同相并联联差动放放大器，这这一级的的放大输输出为；,输入端不吸收收电流，并并且电路路结构对对称，漂漂移和失失调相互互抵消，具具有抑制制共模信信号干扰扰的能力力，构成成第二级级差动放放大，提提高放大大倍数，欲欲有效地地抑制共共模信号号干扰，须须使电路路中，则则放大器器总输出
21、出为（3.6）调节电位器器，可改变变放大器器增益，令令,则(3.7)设计放大器器的放大大倍数为提高测量量精度优优先选用用国家规规定的EE-966系列的的电阻，此此系列的的金属膜膜电阻精精度达到到1%。将上式中的的电阻值值,带入式（33.7）可得最大增益约为。2.调幅与与检波电电路的选选择在测量中通通常噪声声含有各各种频率率，即近近乎白噪噪声，这这时赋以以测量信信号一个个特定的的载波频频率，只只让以载载波频率率为中心心的一个个很窄的的频带内内的信号号通过，就就可以有有效地抑抑制噪声声。在本传感器器中用两两个乘法法器分别别构建幅幅度调制制电路和和相敏进进检波电电路.如图355为集电电极调幅幅电路。
22、图35 集集电极调调幅电路路图中用用来调节节引出脚脚1，44之间的的平衡，器器件采用用双电源源方式供供电（+12VV，-88V），所所以5脚脚偏置电电阻接地地。电阻阻为器件件提供静静态偏置置电压，保保证器件件内部各各个晶体体管工作作在放大大状态。载载波信号号加在的的输入端端，即引引脚8、110之间间；载波波信号经经高频耦耦合电容容从100脚输入入，为高高频旁路路电容，使使8脚交交流接地地。调制制信号加加在差动动放大器器的输入入端，即即引脚11、4之之间，调调制信号号经低频频耦合电电容从11脚输入入。2、33脚外界界电阻，以以扩大调调制信号号动态范范围。当当电阻增增大，线线性范围围增大，但但乘法
23、器器的增益益随之减减小。以以调制信信号取自自双差动动放大器器的两集集电极（即即引出脚脚6、112之间间）输出出。如图图36为乘法法检波电电路。图36乘法法检波电电路该电路为单单边带调调幅信号号检波器器，其解解调原理理是将所所接收到到的单边边带(SSSB)信号与与接收端端恢复的的发送载载波相乘乘，完成成解调工工作。图图中集成成块MCC14996为平平衡调制制和解调调器，电电路的输输出电压压是输入入电压信信号和由由载波提提供的开开关函数数的乘积积。该电电路工作作在9MMHz中中频频率率时的灵灵敏度为为3V，动动态范围围为900dB。3 滤波电电路的选选择经过相敏检检波电路路输出的的信号还还需要经经
24、过低通通滤波器器才能得得到信号号的包络络线即调调制信号号。如图图37为压压控电压压源型二二阶滤波波器电路路的基本本结构。图37压压控电压压源型二二阶滤波波器电路路的基本本结构 在上图中取取和为电阻阻，和为电容容，开路路，可构构成低通通滤波电电路，其其传递函函数，滤滤波器的的参数为为传感器的测测量上限限频率是是30KKHz，所所以选择择低通滤滤波器的的上限截截至频率率为355KHzz。在实实际选择择电子元元器件时时应该是是器件的的种类越越少越好好，查阅阅国家相相关标准准，选择择，另外外令，由由其中，算得得,按照E-996系列列电阻值值可定为为9.553KHHz。第四章 误误差分析析传感器无可可避
25、免的的存在着着误差，这这些误差差有些是是原理性性误差，有有些是加加工和安安装误差差。只要要将误差差控制在在规定范范围内就就认为设设计合理理。在设计过程程中主要要存在着着这样一一些原理理性误差差：1 应变片片的电阻阻值由于于忽略了了横向效效应设计计出的电电阻应变变片存在在误差；2 计算筒筒形薄壁壁压力时时将圆筒筒看成理理想薄壁壁计算出出的压力力值存在在误差；3 计算应应变片基基长时有有近似计计算；4 计算电电桥时的的近似计计算带来来误差。下面主要分分析前两两种误差差产生的的原因。应变片的电电阻值由由于忽略略了横向向效应设设计出的的电阻应应变片存存在误差差金属丝式应应变片由由于敏感感栅的两两端为半
26、半圆弧形形的横栅栅，测量量应变时时，构件件的轴向向应变使使敏感栅栅电阻发发生变化化，而其其横向应应变也使使敏感栅栅半圆弧弧部分的的电阻发发生变化化。应变变片的这这种既受受轴向应应变影响响，又受受横向应应变影响响而引起起电阻变变化的现现象称为为横向效效应。如如图41所式式。图41敏敏感栅半半圆形部部分 若敏感栅栅有n根纵栅栅，每根根长为ll，半径径为r，在轴轴向应变变作用下下，全部部纵栅的的变形视视为L1半圆弧横栅栅同时受受到和的作用用，在任任一微小小段长度度上的应应变和可由材材料力学学公式求求得 每个圆弧形形横栅的的变形量量l 为纵栅为n根根的应变变片共有有n-1个半半圆弧横横栅，全全部横栅栅
27、的变形形量为应变片敏感感栅的总总变形为为敏感栅栅丝丝的总长长为L，敏感感栅的灵灵敏系数数为KS，则电电阻相对对变化为为令那么有，可见，敏感感栅电阻阻的相对对变化分分别是和和和作用的的结果。横横向灵敏敏系数与与轴向灵灵敏系数数之比值值，称为为横向效效应系数数H。即：可见，r愈愈小、ll愈大，则则H愈小。即即敏感栅栅越窄、基基长越长长的应变变片，其其横向效效应引起起的误差差越小。筒形薄壁压压力时将将圆筒看看成理想想薄壁计计算出的的压力值值存在误误差如图422所示图42二二向应力力状态受力分析有有上式的应力力计算公公式适用用于的薄薄壁压力力容器。下下表是计计算的与与“弹性力力学”精确的的结果的的比较
28、。表4.1 薄壁容容器环向向应变应应力公式式计算的的与精确确解的相相对误差差由表可见当当时，误误差小于于5%。参考文献：1 机械设设计手册册. 北京京：机械械工业出出版社，20042 何金田田，张斌斌主编. 传感感器原理理与应用用课程设设计指南南. 哈尔尔滨：哈哈尔滨工工业大学学出版社社，200093 张国雄雄主编. 测控控电路. 北京京：机械械工业出出版社，20074 陈传尧尧编. 工程力力学. 北京：高等教教育出版版社，2200665 刘迎春春，叶湘湘宾编著著. 传感感器原理理设计与与应用. 长沙沙：国防防科技大大学出版版社，2200666 曲兴华华主编. 仪器器制造技技术. 北京：机械工工业出版版社，2200777 康花光光主编. 电子子技术基基础（模模拟部分分）. 北京：高等教教育出版版社，2200668 庞振基基，黄其其圣主编编. 精密密机械设设计. 北京：机械工工业出版版社，2200449 邓文英英主编. 金属属工艺学学（上）. 北京：高等教育出版社，2000