传感器课程设计论文 JacobWord格式.docx
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在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。
传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。
如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现.
传感器种类及品种繁多，原理也各式各样。
其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。
因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。
但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。
为此，在研究高精度传感器的同时，必须重视可靠性和稳定性的研究。
一般情况下，由于传感器设置的场所并非理想，在温度、湿度、压力等效应的综合影响下，可引起传感器零点漂移和灵敏度的变化，已成为使用中的严重问题。
虽然人们在制作传感器过程中，采取了温度补偿及密封防潮的措施，但它与应变片、粘帖胶本身的高兴能化、粘帖技术的精确和熟练、弹性体材料的选择及冷、热加工工艺的制定均有密切的关系，哪一方面都不能忽视，都需精心设计和制作。
同时，还须注意传感器的安装方法，支撑结构的设置，如何克服横向力等问题。
作为一次仪表的传感器通常由敏感元件与转换元件组成。
转换元件就是精密的电桥。
因此，测力秤重用电阻应变式传感器主要由弹性体、应变片、粘帖胶及各种补偿电阻构成。
他的稳定性也必然是由这些元件的内、外因的综合作用所决定。
关键字：
压力拉力弹性元件应变片电桥输出电压
一、传感器方案的比较与选择
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。
1.1、传感器样式的选择
1.1.1、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1.1.1梁式力传感器
1.1.2、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1.1.2轮辐式传感器
1.1.3、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。
表1.1.3四种弹性元件的比较
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
轮辐式
高
好
较复杂
较小
梁式
小
环式
较大
1.1.4、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。
选择结果：
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空心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。
图1.1.5 圆柱式力传感器 图1.1.6圆柱面展开及电桥
a）圆柱面展开图b）桥路连接图
1.2、弹性敏感元件的选择
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。
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。
材料选择结果：
弹性元件材料能同时满足上述所有要求客观上是困难的，因此只能根据传感器的使用条件综合考虑。
根据任务书要求选取测力范围为5×
103～5×
105N，选用40CrNiMo材料。
1.3、应变片类型与材料选择方案
1.3.1、材料类型的选择
1.3.1.1、箔式电阻应变片
箔式电阻应变片是基于电阻应变效应制成的。
他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。
1.3.1.2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。
1.3.1.3、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，a、温度稳定性能差，灵敏系数和线性度随温度变化影响较大；
b、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。
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。
箔栅的尺寸准确、均匀且能够制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。
便于成批生产。
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。
1.3.2、敏感栅材料及参数的选择
制造应变计时对敏感栅材料的要求：
a、所选用的材料应使灵敏度系数和电阻率要尽可能高而稳定；
电阻变化率△R/R与机械应变ε具有良好而又宽广的线性关系；
b、电阻-温度系数小，电阻-温度线性关系和重复性好；
c、机械强度高、辗压及焊接性好，与其他金属件接触电阻小；
d、抗氧化耐腐蚀、无明显机械滞后；
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1.3.2a制作应变片常用的合金材料
材料名称
化学成分%
电阻率/Ω*
mm2*m-1
电阻温度系数/*10-6*C-1
灵敏系数
最高使用温度/。
C
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
2.4~2.6
静态300~400
用作中高温应变片
伊文合金6J23
Al3,Fe2
铁铬铝合金
Fe余量Cr26Al5.4
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
Pt90.5~91.5W8.5~9.5
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
铂铱合金
Pt80Ir20
0.35
90
4．0
表1.3.2b：
制作应变片常用的半导体材料
电阻率/Ω*mm2*m-1
弹性模量/*1014N*m-2
晶向
P型硅
N型硅
P型锗
N型锗
P型锑化铟
N型锑化铟
0.078
0.117
0.150
0.166
5.4*10-3
1*10-4
1.3*10-4
1.87
1.23
1.55
0.745
175
-133
102
-157
-45
30
-74.5
<
111>
100>
基于上述材料性能的比较分析，选用康铜作为应变片材料
1.4.应变片基底材料
对基底材料性能的要求：
a、机械强度高，扰性好；
b、粘贴性能好，电绝缘性能好；
c、热稳定性和抗湿性好；
d、无滞后和蠕变。
基于上述要求，应变片基底材料选用由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成的胶膜，厚度为0.03~0.05mm。
1.5.引线材料的选择
康铜丝敏感栅应变片，引线采用直径为0.1~0.18mm的银铜丝，采用点焊。
1.6.粘贴剂的选择
粘贴剂的主要功能是要在轴向准确的传递试件的应变，因此，它应具备：
1、与试件表面有很强的粘贴强度；
2、弹性模量大、蠕变小、滞后小，温度和力学性能参数要尽量与试件相匹配；
3、抗腐蚀、涂刷性好，固化工艺简单，变形小，使用简单，可长期储存；
4、电绝缘性能、耐老化与耐温耐湿性能均要良好。
粘贴应变片的胶粘剂一般都采用热固性型胶粘剂如聚酰亚胺、改性的环氧-酚醛胶。
这类胶粘剂贴片后，经加压回热固化及后固化处理后，胶层具有很高粘结强度，电绝缘性能好，因而传感器的蠕变、滞后及零漂小，传感器的稳定性也好。
二、参数计算
2.1、弹性元件的尺寸计算
弹性元件特性参数：
原件参数如下：
强度极限σb＝1150MPa
屈服应力σs＝1090MPa
弹性模量E＝212GPa
泊松比μ＝0.29，
另外还要确定它的许用应力[σ]。
许用应力是指在强度计算中，把材料的极限应力除以一个大于1的系数n（称为安全系数），作为构件工作时所允许的最大应力，称为材料的许用应力，以[σ]表示。
不同的材料其许用应力是不同的。
在工程中,通常将延伸率δ≥5%的材料称为塑性材料,延伸率δ＜5%的材料称为脆性材料。
Q235-A、45钢都属于塑性材料，因此，它们应以屈服应力σs作为极限应力σ°
。
（脆性材料是以强度极限σb作为极限应力σ°
）极限应力σ°
/安全系数n得到材料的许用应力［σ］。
n可在规范和手册中查到，在一般计算中，塑性材料n=1.5～2.0,脆性材料n=2.5～3.0。
许用应力[σ]＝σs/n=σs/n＝1090MPa/2＝545MPa。
电阻应变敏感元件采用应变片，为了减小应变片胶层的蠕变和漂移，选择额定许用应变[ε]＝1000×
10-6。
2.1.1、截面积的计算
拉伸时轴向应力σ和力P，面积A之间的关系为σ＝P/A，又许用应变[ε]下的应力为σ＝E[ε]，由此得到横截面A的计算公式为
A＝P/[ε]E＝3×
105/1000×
10-6×
212×
109＝14.151×
10-4（m2）＝14.151（cm2）
2.1.2、外径及内径的确定
弹性元件的外径D不能选择得太小，否则会由于力得偏心造成很大的误差。
这里选用外径的原则是
D>
=（4F/π[σ]）1/2=（4×
3×
105/3.14×
545×
106）1/2=2.65cm
这里选用外径为D＝5.0cm的空心管，，面积计算公式可以写成为
A＝（D2-d2）π/4
式中d为空心管内径，由上式得到
d＝（D2－4A/π）1/2=（5.02－14.151）1/2＝2.64cm
选用d2＝2.5cm
这样空心管的壁厚
t＝（D－d）/2＝1.25cm横截面积S=（D2-d2）π/4=17.72*10-4
S=（1+μ）KF/（2S*E）*103=（1+0.29）*2.1*300000/（2*3.925*10-4*212*109）*103=1.628
S<
Sg,所以灵敏度符合要求。
2.1.3、柱高h及其他尺寸的确定
为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高h应当选得小些，但又必须使应变片能够反映截面应变得平均值，这里选用弹性元件工作段的长度为D的2倍
h＝2D＝10.00cm
由于壁很薄，还必须检验是否会出现局部失稳。
薄壁管的失稳临界应力公式为
σlim＝2Et/（D＋d）[3×
（1－μ2）]1/2＝2×
109×
0.5×
10-2/（5.00+2.50）×
10-2×
[3×
（1－0.292）]1/2＝17053×
106N/mm＝17053MPa
在超过满量程150％情况下，弹性元件截面中的应力为
σ＝1.5P/A＝1.5×
105/（π/4）（5.02－2.52）×
10-4＝306×
106Pa＝306MPa
因此，受力超过满量程150％时的应力还远远小于材料的比例极限和临界应力，这表明该弹性元件不会出现弹性失稳。
三、转换与放大电路的设计
3.1、应变片的粘贴方式
图3.1a应变片的粘贴
应变片贴片方法采用如图5-1，R5~R8既补偿横向效应，又做温度补偿。
应变片采用的接桥方式，因为各种原因，最终传感器会产生较大的误差，所以在接桥时应用八片应变片，以提高电路的线性化，并采用全桥的接桥方式，在传感器受压轴上使用横纵贴片的方式，具体贴片方法见应变式拉力传感器设计正文中的“电阻应变片的粘贴要点”减少传感器的传感器输出电压的误差，接桥具体原理电路如下图所示。
图3.1b电桥原理图
3.2、转换电路的设计
3.2.1、全桥放大电路
为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥采用四臂差动电桥，四个桥臂均为应变片，相邻两应变片阻值变化方向相反，其输出电压为
U0＝（△R/R）U
ku＝U
图3.2.1a转换电路原理图
设计中采用回线式金属丝应变片，其具有横向效应，必须进行温度补偿。
如上图，在试件上安装两个工作应变片，一片受拉，一片受压，然后接入电桥相邻臂。
电桥输出电压为
设初始时为R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR，则上式可简化为
可见，这时输出电压U0与ΔR/R成严格的线性关系，而且电桥灵敏度比单臂时提高一倍，此外还具有温度补偿作用。
为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置多个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，如图与上同理，可得输出电压
用应变片测量时，希望其电阻只随应变而变，而不受其它因素的影响。
但实际上环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，从而产生温度误差。
3.2.2、零点补偿电路
在理想状态下，当应变片不受力的时候，电桥的输出电压应该为零，可是由于实际的应变片制造上无法做到每一个应变片的阻值都一样，而且受应变片适应环境的能力的限制，就有可能使初始输出不为零，即存在零点偏移电压，为了消除它改进后的电路如图5-4所示
图3.2.2零点补偿全桥电路
3.2.3、信号放大电路
3.2.3.1、三运放差动放大电路
如图所示为三个运算放大器构成的测量放大器，它由二级放大器串联组成，前级是两个对称同相放大器，输入信号加在前级两个放大器的同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗；
后级是差动放大器，它不仅将前级共模干扰互相抵消，而且还将双端输入方式变换成单端输出方式，适应对地负载的需要。
根据运算放大器的基本分析方法，在图中，
UA=U1,UB=U2
Ui1-Ui2=
Uo1-Uo2=
所以输出电压
Uo=
=
设Uid=Ui1-Ui2，则输出为
此电路放大差模信号，抑制共模信号。
差模放大倍数数值越大，共模抑制比越高，而且当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。
在使用中应注意的几个问题：
（1）为了得到较强的共模抑制能力，在选用运放时，应尽可能使两个同相的运放特性一致，可选用OP37、LM324等；
（2）运放的闭环增益越低，对电阻匹配的精度要求愈高；
（3）应尽可能抑制输入端的共模信号。
因为当共模抑制比不够大时，经放大后，通过空间电容，很容易产生高频振荡。
这个电路具有输入阻抗高、共模抑制比高、增益调节方便等优点。
如图所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求
3.3、电路分析及计算
输入级的输入电压，即运算放大器A2与A1的输出之差为
其差模增益Kd为：
Kd＝
由上式可知，当A1、A2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而与共模输出，失调及漂移均在Rp两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。
但为了消除A1、A2片偏置电流等的影响。
另外，这种电路还具有增益调节能力，调节Rc可以改变增益。
如果A1、A2和A3选用高精度、低漂移的集成运算放大器，那么，该电路则可获得相当优良的性能。
本设计中选取应变片R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6＝R7＝R8=120欧，用于电桥调零电阻WD=10KΩ，三运放差动放大电路中RRc=10KΩ,Ra1=Ra2=10KΩ,Rb1=Rb2=100KΩ,Rd1=Rd2=200KΩ
U=5V，当最大拉压力为1×
105N时，要求输出不超过5V，带入以上参数可得
=420
注意电压表量程0~5V。
因为R1=R2=R3=R4=R5=R6=C7=C8=R，得：
因为|εr|=με和△R=kεR，而△R’=μ△R，故
由
则有：
式中：
k——应变片的灵敏度系数；
P——负载的压力。
电压U0max=1.075×
10-8×
2.1×
105V=6.783×
10-3V=6.772mV
UOUT=A*U0max=420*6.772mV=2.844V<
5V
四、电路的仿真与调试
4.1、计算理论值
ε＝δ/E=F/（S*E）=F/[（π/4）（D2-d2）E],应变片电阻变化量
电桥输出电压UO＝Ui*△R/R，放大电路的输出电压Uout=A*U
表6-1压力理论值与实际值的比较
表6-2拉力理论值与实际值的比较
4.2、用Matlab软件仿真结果
1、压力matlab程序：
f=[10000:
10000:
100000];
v1=[-0.677-1.354-2.031-2.708-3.385-4.062-4.738-5.415-6.091-6.767];
V1=[-0.67089-1.367-2.015-2.690-3.362-4.043-4.710-5.386-6.057-6.752];
subplot（121）;
plot（f,v1,f,V1,'
r--'
）;
xlabel（'
F/N'
ylabel（'
mV'
title（'
电桥输出F-V 图'
text（10000,22,'
实线为理论曲线'
）
grid;
v2=[-0.142211-0.284401-0.426570-0.568718-0.710845-0.852950-0.995034-1.137-1.279139-1.421160];
V2=[-0.140887-0.282977-0.423091-0.564952-0.706103-0
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