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传感器原理课程设计--电阻应变式拉力传感器的设计.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.04M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    采用电阻应变片设计一种电阻应变式位移传感器，设计要求工作温度范围：-30～150℃；工作频率1KHz
    目 录
    1 绪论………………………………………………………………………………………………1
    1.1 相关背景…………………………………………………………………………………1
    1.2 设计概述……………………………………………………………………………………2
    2 方法论证…………………………………………………………………………………………3
    2.1电阻应变式拉力传感器测量原理及其特点……………………………………………… 3
    2.1.1 测量的原理…………………………………………………………………………… 3
    3.1 基本的理论分析………………………………………………………………………… 11
    3.2 弹性元件的尺寸设计…………………………………………………………………… 12
    3.3 应变片的计算…………………………………………………………………………… 12
    3.4 电阻值的取值…………………………………………………………………………… 13
    3.5 应变校验………………………………………………………………………………… 13
    3.6 联接结构的设计………………………………………………………………………… 14
    3.7 壳体的设计……………………………………………………………………………… 14
    3.8 防尘的设计……………………………………………………………………………… 14
    4 测量电路原理分析及设计…………………………………………………………………… 15
    4.1 电桥电路原理…………………………………………………………………………… 15
    4.2 转换电路和信号放大电路……………………………………………………………… 16
    4.2.1 电桥转换电路……………………………………………………………………… 16
    4.2.2放大电路和共模补偿电路………………………………………………………… 17
    4.2.3 电路调零调幅电路………………………………………………………………… 20
    4.2.4 滤波电路的设计与参数计算……………………………………………………… 20
    4.3各部件之间的输入输出关系…………………………………………………………… 21
    4.4抗干扰的措施…………………………………………………………………………… 22
    5 误差来源与精度分析………………………………………………………………………… 23
    5.1 误差来源………………………………………………………………………………… 23
    5.2 数据处理………………………………………………………………………………… 23
    6 应变片的粘贴方法…………………………………………………………………………… 25
    6.1 弹性体应变区的打磨…………………………………………………………………… 25
    6.2 划定位线………………………………………………………………………………… 25
    6.3 表面清洗………………………………………………………………………………… 25
    6.4 选片……………………………………………………………………………………… 25
    6.5 绷片……………………………………………………………………………………… 25
    6.6 帖片……………………………………………………………………………………… 26
    6.7 固化……………………………………………………………………………………… 26
    6.8 帖片质量检查…………………………………………………………………………… 26
    总结……………………………………………………………………………………………… 27
    参考文献………………………………………………………………………………………… 29
    1 绪 论
    2 方法论证
    2.1 电阻应变式拉力传感器测量原理及其特点
    2.1.1 测量的原理
    2.2 弹性元件的选择
    2.3 应变片的选择
    3 相关理论分析计算及部件设计
    3.1 基本的理论分析
    3.2 弹性元件的尺寸设计
    3.3 应变片的计算
    3.4 电阻值的取值
    3.5 应变校验
    3.6 联接结构的设计
    3.7 壳体的设计
    3.8 防尘的设计
    4.2 转换电路和信号放大电路
    4.3各部件之间的输入输出关系
    4.4抗干扰的措施
    6 应变片的粘贴方法
    6.1 弹性体应变区的打磨
    6.2 划定位线
    6.3 表面清洗
    6.4 选片
    6.5 绷片
    6.6 帖片
    6.7 固化
    6.8 帖片质量检查
    总 结
    参考文献
    武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书 武汉理工大学 课 程 设 计 题 目：传感器原理机应用课程设计 电阻应变式拉力传感器的设计 学院： 机电工程学院 专业： 测控技术与仪器 1 厚德博学，追求卓越
    武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 性 别 专业、班级 测控技术与仪器 课程设计题目：电阻应变式拉力传感器的设计 课程设计答辩或质疑记录： 1. 应变片的电阻值如何选择？为什么？ 答：应变片的电阻值选择 350  ，因为电阻值相对大些可以提高测量精度，提高测量电 路的输出电压，此外还要考虑电阻丝的发热对测量结果的影响，综合考虑，选择 350  的电 阻值比较适宜。 2. 为什么选择三运放放大电路？ 答：因为测量过程中伴随有很高的共模电压，采用三运放高共模抑制比放大电路可以较 好的抑制测量电路中伴随的共模电压，放大差模电压，同时可以满足增益大要求。 3. 为什么要进行温度补偿？ 答：因为电阻值随温度变化产生的误差非常大，数量级快达到电阻应变产生的误差，因 此式样过程中必须进行温度补偿，补偿方法有应变片自补偿法和线路补偿法。 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日 2 厚德博学，追求卓越
    武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 测控 指导教师： 戴蓉、王春麟 工作单位： 机电学院测控系 题 目： 电阻应变式拉力传感器的设计 初始条件： 采用电阻应变片设计一种电阻应变式位移传感器，设计要求工作温度范围：-30～150℃； 工作频率 1KHz，检测范围： 5 10  3 N ~ 5 10  4 N ；灵敏度： 2 /mV V 。根据测量的需要 选择应变片的型号、数量、粘贴方式以及弹性元件的结构形式。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体 要求） 1. 正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥； 2. 选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并根据测 试极限范围进行校核； 3. 完成传感器的外观与装配设计； 4. 完成应变电桥输出信号的后续电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路） 的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图； 5. 按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000 字左右）； 6. 按机械制图标准绘制弹性元件图（4 号图纸），机械装配图各一张（3 号图纸）； 时间安排： 序 号 内 容 所 用 时 间 1 2 3 4 5 6 合 计 布置课程设计任务.查阅资料 弹性元件设计 敏感元件设计 测量电路和图纸 误差分析 撰写设计说明书 1 天 2 天 1 天 4 天 1 天 1 天 10 天 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 3 厚德博学，追求卓越
    武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书 目 录 1 绪论………………………………………………………………………………………………1 1.1 相关背景…………………………………………………………………………………1 1.2 设计概述……………………………………………………………………………………2 2 方法论证…………………………………………………………………………………………3 2.1 电阻应变式拉力传感器测量原理及其特点……………………………………………… 3 2.1.1 测量的原理…………………………………………………………………………… 3 2.1.2 测量方案……………………………………………………………………………… 4 2.1.3 测量特点……………………………………………………………………………… 4 2.2 弹性元件的选择………………………………………………………………………… 4 2.2.1 柱式力传感器………………………………………………………………………… 5 2.2.2 薄壁圆环式力传感器………………………………………………………………… 6 2.2.3 梁式力传感器………………………………………………………………………… 6 2.2.4 轮辐式剪切力传感器………………………………………………………………… 8 2.3 应变片的选择…………………………………………………………………………… 10 3 相关理论分析计算及部件设计……………………………………………………………… 11 3.1 基本的理论分析………………………………………………………………………… 11 3.2 弹性元件的尺寸设计…………………………………………………………………… 12 3.3 应变片的计算…………………………………………………………………………… 12 3.4 电阻值的取值…………………………………………………………………………… 13 3.5 应变校验………………………………………………………………………………… 13 3.6 联接结构的设计………………………………………………………………………… 14 3.7 壳体的设计……………………………………………………………………………… 14 3.8 防尘的设计……………………………………………………………………………… 14 4 测量电路原理分析及设计…………………………………………………………………… 15 4.1 电桥电路原理…………………………………………………………………………… 15 4.2 转换电路和信号放大电路……………………………………………………………… 16 4.2.1 电桥转换电路……………………………………………………………………… 16 4.2.2 放大电路和共模补偿电路………………………………………………………… 17 4.2.3 电路调零调幅电路………………………………………………………………… 20 4.2.4 滤波电路的设计与参数计算……………………………………………………… 20 4.3 各部件之间的输入输出关系…………………………………………………………… 21 4.4 抗干扰的措施…………………………………………………………………………… 22 5 误差来源与精度分析………………………………………………………………………… 23 5.1 误差来源………………………………………………………………………………… 23 5.2 数据处理………………………………………………………………………………… 23 6 应变片的粘贴方法…………………………………………………………………………… 25 6.1 弹性体应变区的打磨…………………………………………………………………… 25 6.2 划定位线………………………………………………………………………………… 25 6.3 表面清洗………………………………………………………………………………… 25 6.4 选片……………………………………………………………………………………… 25 6.5 绷片……………………………………………………………………………………… 25 6.6 帖片……………………………………………………………………………………… 26 1 厚德博学，追求卓越
    武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书 6.7 固化……………………………………………………………………………………… 26 6.8 帖片质量检查…………………………………………………………………………… 26 总结……………………………………………………………………………………………… 27 参考文献………………………………………………………………………………………… 29 2 厚德博学，追求卓越
    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 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、超弱磁砀等等。 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。 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 1 厚德博学，追求卓越
    武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书 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。 1.2 设计概述 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，使用方便，性能稳定、可靠； （2）易于实现测试过程自动化合多点同步测量、远距离测量和遥测； （3）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量； （4）可以测量多种物理量。 电阻应变式传感器的结构和工作原理很简单。电阻应变式式传感器由弹性敏 感元件与电阻应变片构成。弹性元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应 变。而粘贴在敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生变形，因此电 阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，测量电阻应变片的电阻值变化就可 以确定被测量的大小了。 本课题所研究的方向为电阻应变式拉力传感器及其转换放大电路的设计。 设计目的和意义：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。 主要的技术指标：测力范围 5 10 ~ 5 10 N   3 4 ，称量精度：±1％。 应用范围：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。 产品介绍：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。 2 厚德博学，追求卓越
    武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书 2 方法论证 2.1 电阻应变式拉力传感器测量原理及其特点 2.1.1 测量的原理 电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受 被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变 片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。 这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。 弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计 或选择它的结构形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变 片传感器的核心元件。 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 l ，电阻率变化量  ，横截面积的相应减小 量 S ； 则有： R  R  l  l  S  S    (2-1) l l 为 轴 向 应 变 ， 用 表 示 ， 径 向 应 变 为 /r r , 则 /r r =- （ l l ），  S S / 2(   / ) r r ，则(2-1)式可写成： R  R  l  l )21(       =（1+2+ /   /   ） l l = 0k l l (2-2) 0k 称为金属电阻的灵敏系数，其受两个因数影响，一是（1+2），它主要 是材料的尺寸变化引起；另一是 /   /   ，它主要材料的电阻率随应变引起。对于 金属材料而言，以前者为主，实验表明，在金属电阻应变拉伸比例极限内，电阻 的相对变化与轴向应变成正比。 当弹性元件受外力作用时，发生机械变形，敏感栅也随同变形，其阻值发生 变化，通过转换电路转换为相应的电压或是电流的变化，由(2-2)式可得到被测对 3 厚德博学，追求卓越
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