应变式拉压力传感器及转换电路设计.docx
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应变式拉压力传感器及转换电路设计
课程设计
课程名称传感器设计与实践
题目名称应变式拉/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09计算机测控
（1）班
学号
学生姓名
指导教师
2012年6月
广东工业大学课程设计任务书
“传感器设计与实践”之四
题目名称
应变式拉/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
测控技术与仪器（计测0901班）
姓名
学号
一、课程设计的内容
通过设计型实验，掌握传感器设计的一般过程与步骤。
具体内容包括：
了解应变式拉/压力测量的一般方法；制定利用传感器测量拉/压力的方案；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软件进行拉/压力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：
5×103～1.2×105N；测量精度：
±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、了解拉/压力测量的一般方法，制定利用传感器测量拉/压力的方案；
2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸；
3、拉/压力测量用传感器结构设计；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3-101
6月4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#-107
6月5~7日
3
传感器主要结构设计，装配图、零件图的设计
工学1#-107
6月8~10日
4
根据所设计的传感器结构，设计转换电路
工学1#-107
6月11日
5
传感器测量转换电路仿真调试
工学1#-107
6月12~13日
6
传感器制作工艺研究
工学1#-107
6月13日
7
撰写设计说明书
工学1#-107
6月14日
8
分组答辩
工学1#-107
6月15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：
2012年6月4日指导教师签名：
陈益民、黎勉、查晓春
计划完成日期：
2012年6月15日基层教学单位责任人签章：
主管院长签章：
摘要：
应变式拉/压力传感器广泛应用于自动控制和质量控制，称重系统，闭环控制，纺织机械，检测机械的闭环控制，质量控制，自动化机械，起重机，运输工具，钻井工具，印刷机，金属，橡胶，纸等机械上。
为了进一步改善电阻应变式拉力传感器各项的形状尺寸与性能指标，本课程设计重点研究传感器的工作原理，其中包括基本的理论分析、弹性元件的选材、弹性元件的尺寸设计、应变的选材、应变校验等。
而课程设计的内容包括：
1、掌握和了解相关传感器的基本测量方法和研究动态；2、制定所测物理量的传感器测量方案；3、利用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析计算；4、利用CAD软件进行传感器结构设计和零部件设计；5、对传感器转换电路进行必要计算，进行电路设计调试；6、对传感器静态特性标定设备和方法进行研究。
因此，本课程设计的基本步骤为：
第一，了解电阻应变式拉力传感器相关知识背景，阐述设计思想；
第二，选定传感器方案，确定电阻应变式拉力传感器的结构；
第三，进行必要的理论分析与计算；
第四，进行电路转换设计；
最后，在附录上附带了电阻应变式拉力传感器的装配图、零件图以及传感器信号放大电路的仿真电路图。
关键字：
应变式拉/压力传感器弹性元件应变片转换电路信号放大电路
1.绪论
1.1.相关背景
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况，就需要传感器。
因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
1.2.设计概述
电阻应变式拉力传感器广泛应用于自动控制和质量控制，称重系统，闭环控制，纺织机械，检测机械的闭环控制，质量控制，自动化机械，起重机，运输工具，钻井工具，印刷机，金属，橡胶，纸等机械上。
既有一般应用的产品，也有适合特别应用的产品。
产品有各种型号，既有超小的，也有柱状的，能适合各种各样的应用。
而本课题所研究的范围为电阻应变式拉力传感器的转换放大电路。
其目的和意义在于：
根据力传感器的测力范围和称量精度，合理选择电阻应变片材料、阻值和粘贴方式，并根据需要将之接成半桥单臂、半桥双臂或全桥形式，由于电桥输出电压较小，需经测量放大器放大至伏继级电压，以便后接仪表或为A/D转换所用。
其主要的技术指标为测力范围5×103～2.1×105N，称量精度：
±1％。
本设计采用了圆筒式弹性元件，稳定性好，输出信号大，灵敏度高，精度高等特点。
应变片采用了箔式应变片，转换电路为高输出精度的全桥电路，采用三级放大电路，利用补偿电阻进行温度补偿。
所包含的内容有：
1）掌握和了解相关传感器的基本测量方法和研究动态；
2）制定所测物理量的传感器测量方案；
3）利用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析计算；
4）利用CAD软件进行传感器结构设计和零部件设计；
5）对传感器转换电路进行必要计算，进行电路设计调试；
6）对传感器静态特性标定设备和方法进行研究。
所包含的知识点有：
传感器原理、传感器类型与结构，传感器技术参数，影响技术参数的因素及设计中的考虑，传感器敏感元件选择与计算、结构设计，传感器工程图纸设计，转换、放大电路，电路调试软件及步骤，电路的设计与调试，传感器的标定方法等。
2.设计的目的和意义
2.1.设计目的
通过本设计与实践，要求学生利用所学的基础理论，从设计步骤、设计表达、实际电路调试等方面，全面掌握相关传感器的设计与调试技术。
培养学生综合运用所学知识进行工程设计的实践能力，包括动手能力，独立思考能力，以及分析和解决工程实际问题的能力。
2.2.设计意义
本课程是测控技术与仪器专业一个重要的实践性教学环节，是引导学生把基础理论与实际应用相结合的一个必不可少的中间环节。
3.测量原理及其特点
3.1.测量的原理
测量基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，亦即利用金属的电阻应变效应（即应变片的电阻随其本身的形变而发生变化），将测量物体变形转换成电阻变化，再经转换电路变成电量输出。
引起的阻值变化△R，伸长量△
，电阻率变化量△ρ，横截面积的相应减小量△S；则有：
（3-1）
式中，
为长度相对应变量，用应变ε表示，即
（3-2）
为圆形电阻丝横截面的相对变化量，即
（3-3）
由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为
（3-4）
式中，
为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。
将式（3-2）～式（3-3）代入式（3-1），可得
（3-5）
或
（3-6）
通常把由单位应变引起电阻值的相对变化量称为电阻丝的灵敏度系数。
其表达式为
（3-7）
电阻丝的灵敏系数受两个因素决定：
一个是受力后材料几何尺寸的变化，即
；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即
。
对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表达式中
的值要比
大得多，而半导体材料的
项的值要比
大得多。
大量实验证明，在金属电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。
根据金属电阻应变片的结构特点，当被测试件受到外力作用产生微小机械应变式，应变片会发生相同的变化，引起应变片电阻值也发生相应的变化。
试件所受外力F与应变
的关系为
（3-8）
式中，F——试件所受外力；
S——试件横截面积；
——试件的应变；
E——试件材料的弹性模量。
由此可知，试件所受外力F正比于电阻应变片应变量
，而
正比于电阻的相对变化
，这就是利用应变片测量应变的基本原理。
3.2.测量特点
电阻应变式传感器是电阻应变片为传感元件的传感器，由弹性敏感元件和电阻应变片组成。
将电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件在被测量作用时其表面会出现变形，致使其表面所附的电阻应变片的电阻值随之产生应变，与之相应的测量电路可组成测量位移，拉力，压力，加速度，扭矩，温度等多种测试系统。
目前已广泛应用于冶金，电力，交通，外贸，国防等部门，它之所以成为如此受宠主要有以下优点：
（1）精度高，测量范围广，适合静态和动态测量；
（2）使用寿命长，性能可靠稳定；
（3）结构简单，尺寸小。
4.传感器结构设计
4.1.几种传感器的比较及选定
应变式测力传感器一般由弹性体、应变计和外壳组成。
应变式传感器技术成熟，能很好应用在大负载的测量中。
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。
根据弹性体的结构形式的不同分为：
柱式，轮辐式，梁式，环式等。
4.1.1.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，并均匀对称布置。
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，一般取H≥2D+L，而空心圆柱一般取H≥D-d+L，式中H为圆柱体高度，D为圆柱外径，d为空心圆柱内径，L为应变片基长。
贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接，其特点是R1、R3串联，R2、R4串联并置于相对位置的臂上，以减少弯矩的影响。
横向贴片作温度补偿用。
柱式力传感器的结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。
它有如下优点：
（1）结构简单紧凑、体积小、重量轻、坚固耐用；
（2）弹性体的几何形状简单，设计计算、机械加工、表面处理都极简单；
（3）传感器刚性好，固有频率高，动态响应好，有利于动态测量；
（4）对振动不敏感，一般使用温度下允许3g的振动，抗过载能力和抗冲击能力均优于其它任何结构的传感器；
（5）柱式传感器的计量轴线与负荷方向重合，不存在固定支架边界条件对它的影响和约束，所以柱式传感器的重复性误差、滞后误差比其它任何结构的传感器要小得多。
图4—１ 圆柱式力传感器 图4—2圆柱面展开及电桥
a）圆柱面展开图b）桥路连接图
4.1.2.梁式传感器
梁式力传感器有多种形式，如下图所示。
图a为等强度梁，力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等，故对在f方向上粘贴应变片位置要求不严。
图b为等截面梁，其特点为结构简单，易加工，灵敏度高。
适合于测5000N以下的载荷，也可以测量小的压力。
但是因表面沿Z方向各点的力分布不等，对四个（或两个）贴片的位置要对称。
图c为双孔梁，多用于小量程，如工业电子秤和商业电子秤。
图d为“S”形弹性元件，适用于较小载荷。
图4-3梁式力传感器
4.1.3.轮辐式传感器
外加载荷作用在轮的顶部和轮圈底部，轮辐上受到纯剪切力。
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。
应变片（8片）的贴法和连接电桥如图b所示。
其优点是精度高、滞后小，重复性及线性度好
图4-4轮辐式传感器
4.1.4.环式传感器
环式传感器常用于测几十千克以上的大载荷，与柱式相比，它的特点是应力分布变化大，且有正有负，便于接成差动电桥。
4.1.5.传感器类型的选定
表4—1四种弹性元件的比较
类型
负载能力
精度
线性度
工艺性
体积
柱式
大
较高
较好
简单
大
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
根据题目的参数要求和器件的应用性、加工性、实际情况以及各传感器的优点等各个方面考虑本设计选择柱式传感器作为测量元件。
柱式传感器能够承受较大的负载，并且其精度也较高，还具有易安装，易维修等特点。
圆柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如下图所示。
实心圆柱可以承受较大的负荷，在弹性范围内，应力与应变成正比关系，即
（4-1）
式中，F——作用在弹性元件上的集中力；
S——圆柱的横截面积。
圆柱的直径要根据材料的允许应力以来计算，
由于
（4-2）
而
（4-3）
式中，d为实心圆柱直径。
则
（4-4）
由上列各式知，若想提高变换灵敏度。
必须减小横截面积S。
但S减小其抗弯能力也减弱，对横向干扰力敏感。
为了解决这个矛盾，在小集中力测量时多采用空心圆筒或采用承弯膜片，空心圆筒在同样横截面情况下，横向刚度大，横向稳定性好。
同理，承弯膜片的横向刚度也大，横向力都由它承担，而其纵向刚度小。
空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。
由于
（4-5）
所以
（4-6）
式中，D——空心圆柱外径；
d——空心圆柱内径。
弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响。
由材料力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响。
当高度与直径的比值H/D〉〉1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。
试验研究的结果建议采用下式
（4-7）
式中，L为应变片的基长。
对于空心的圆柱为
（4-8）
比较分析选取空心圆柱作为弹性体。
4.2.弹性元件材料的选定及要求
当外界载荷（力、力矩或压力）作用于物体上时，其形状和参数将发生变化。
这一过程称为物体的变形。
当去掉外界载荷后，物体变形为零，这种变形称为弹性变形，这种物体称为弹性元件或弹性体。
弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。
在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。
所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件。
4.2.1.弹性元件材料的要求
在设计传感器以前，首先应选择好弹性元件材料。
对弹性元件材料提出以下要求：
（1）强度高，弹性极限高；
（2）具有高的冲击韧性和疲劳极限；
（3）弹性模量温度系数小而稳定；
（4）热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性；
（5）热膨胀系数小；
（6）具有良好的机械加工和热处理性能；
（7）具有高的抗氧化、抗腐蚀性能；
（8）弹性滞后应尽量小。
4.2.2.弹性元件材料的选定
参照新编传感技术手册可得下表：
表4—2传感材料参数
材料
铍青铜QBe2
17－4PH不锈钢
恒弹性合金3J53
密度g×cm-3
8.25
7.80
8.0
屈服极限MPa
1030
1850
1250
弹性模量MPa
134×103
195×103
G=70×103
线膨胀系数
at/×10-6℃-1
17.6
10.8
7.5－8.1
泊松比
0.32
0.272
0.30
机械品质因数
-
-
≥1000
弹性模量温度系数
35×10-5/℃
-
-
根据应变式拉/压传感器的使用特性和性能指标，本设计使用17－4PH不锈钢作为弹性元件的制造材料，主要原因是17－4PH不锈钢具有以下优点：
17-4PH合金是沉淀、淬水、马氏体的不锈钢，和这个等级具有高强度、硬度（高达300℃/500℃）和抗腐蚀等特性。
经过热处理后，产品的机械性能更加完善，可以达到高达1100-1300MPa（160-190KSI）的耐压强度。
这个等级不能用于高于300℃（572F）或非常低的温度下，它对大气及稀释酸或盐都具有良好的抗腐蚀能力，它的抗腐蚀能力与304和430一样。
由于17－4PH不锈钢具有以上特性，所以比较适合于用作应变式拉/压传感器的弹性元件材料。
4.2.3.弹性元件材料的处理
为确保传感器的精度和性能的长期稳定性，消除弹性元件在机械加工和热处理中产生残余内应力，是十分重要的。
消除弹性元件残余应力的方法有：
1、时效
最有效的方法是长期自然时效，也可采用加温存放的人工实效方法，以加速稳定的过程。
2、退火
由于退火温度较高，保温时间较长，效果比较明显。
3、反复加载和机械振动
采用反复加载和机械振动的方法，有利于内应力的加速释放。
特别是在应变式传感器中，在铁片后进行的疲劳加载，有利于改善产肝气的性能。
在需要考虑应变计的寿命式，可以在贴片前适当增加疲劳次数，而贴片后适当减少次数。
4、冷处理
一般方法是在淬火、第一次回火后，冷到60℃时就放入低温中进行保温处理。
一般弹性元件材料的淬火温度约为850℃（冷油）、回火温度在400~500℃之间，硬度为HEC34～48。
4.2.4.弹性元件衔接部件的整体图
图4—6弹性元件衔接部件的整体图
4.3.几种应变片的比较及选定
4.3.1.箔式应变片
箔式电阻应变片是基于电阻应变效应制成的。
它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻技术、腐蚀等工序制成的一种很薄金属箔栅。
其厚度一般在0.003～0.01mm，其优点是散热条件好，允许通过的电流大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。
4.3.2.电阻丝式应变片
电阻丝式应变片工作原理和箔式应变片相同，其敏感元件是丝栅状的金属丝，从它的基片材质又可以分为纸基的、纸浸胶基的和胶基的等。
纸基应变片，制造简单，价格便宜，易于粘贴，但耐热性和耐潮湿性不好。
一般多在短期的室内实验中使用，在其他恶劣环境中使用，要采取有效的防护措施。
使用温度一般在70℃以下。
如用酚醛树脂、聚脂树脂等胶液将纸进行渗透、硬化等处理后，可使纸基应变片的特性得到改善，使用温度可提高到180℃，抗潮湿性也较好，可以长期使用。
但粘贴时应注意将应变片粘贴牢固，防止翘曲。
4.3.3.半导体应变片
半导体应变片最突出的优点是灵敏系数高，在应变片的应用上提供了很大方便。
另外如机械滞后小、横向效应小以及它本身的体积小等特点，扩大了半导体应变片的适用范围。
半导体应变片的缺点主要是：
（1）温度稳定性能差，灵敏系数和线性度随温度变化影响较大；
（2）在大应变片作用下，灵敏系数的非线性误差较大。
在工程测试中是否选用半导体应变片，要综合考虑测量内容、精度要求，试验环境等因素，并结合半导体应变片的特点而定。
4.3.4.应变片类型的选定
箔式应变片相对于电阻丝式应变片及半导体应变片的优点：
（1）金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近；
（2）当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积要比丝材为大，使它能更好的和试件共同工作。
（3）箔栅的端部较宽，横向效应相应的较少，因而提高了应变测量的精度。
箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大的电流，因而可以输出较强的信号，提高了测量灵敏度。
。
箔式应变片的缺点是，生产工序较为复杂。
引出线的焊点采用锡焊，不适用于高温环境下测量，另外价格较贵。
综合以上箔式应变片优良的性能，所以本方案选用箔式应变片，以保证较高的测量精度，测量灵敏度及较高的性价比。
4.4.应变片材料的选定及要求
4.4.1.应变片材料的选定
制作应变片敏感栅常用的材料有：
康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金属（铂、铂钨合金等）。
材料性能列于下表：
表4—3制作应变片常用的合金材料
材料名称
化学成分%
电阻率
电阻温度系数/
灵敏系数
最高使用温度/℃
特点
康铜
Cu55,Ni45
0.45~0.52
±20
2.0
300~350
最常用，尤适用长时间、大应变测量
镍铬合金
Ni80,Cr20
1.0~1.1
110~130
2.1~2.3
静态450
动态800
多用于动态测量
卡玛合金6J22
Ni75,Cr20,
Al3,Fe3
1.24~1.42
±20
2.4~2.6
静态300~400
用作中高温应变片
伊文合金6J23
Ni75,Cr20,
Al3,Fe2
1.24~1.42
±20
2.4~2.6
静态300~400
铁铬铝
合金
Fe余量
Cr26
Al5.4
1.3~1.5
±30~40
2.6
静态500~800
动态800~1000
用作高温应变片
铂钨合金
Pt90.5~91.5
W8.5~9.5
0.74~0.76
139~192
3．0~3.2
静态800
动态1000
铂
Pt
0.09~0.11
3900
4．6
静态800
动态1000
铂铱合金
Pt80Ir20
0.35
90
4．0
静态800
动态1000
基于上述材料性能的比较分析，选用康铜作为应变片材料。
4.4.2.应变片敏感栅材料的要求
应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求：
（1）有较高的灵敏系数；
（2）电阻率高；
（3）电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；
（4）机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀
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