傳感器課程設(shè)計--電阻應(yīng)變式傳感器

1、<p><b>　　摘要：</b></p><p>　　電阻應(yīng)變式傳感器具有靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定、可靠、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量速度快等優(yōu)點，且能在惡劣環(huán)境下工作，在力、壓力和重要測試中有非常廣泛的應(yīng)用。所以電阻應(yīng)變式力傳感器制作的電子稱具有準確度高易于制作，簡單實用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點。</p><p>　　本文從數(shù)顯電

2、子稱的要求分析入手，將整個系統(tǒng)分成四個部分，分析和討論了各個部分的電路原理、控制策略、實現(xiàn)方法。詳細討論了系統(tǒng)的各種工況及信號的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個部分在不同工況的工作狀態(tài)。電阻應(yīng)變式傳感器工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)原理。用金屬電阻絲制作成電阻應(yīng)變片，將其粘貼在彈性體上。測量時，當彈性體受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，將電信號通過數(shù)碼顯示器顯示出來，從而完成了將外力變

3、換為電信號的過程。</p><p>　　二、設(shè)計方案的確定：</p><p>　　本設(shè)計方案應(yīng)用彈性元件作敏感元件，為了使力（重力）的作用點不受限制，本方案選用等強度梁作為彈性敏感元件；為了使輸出信號大，選用半導(dǎo)體應(yīng)變片作轉(zhuǎn)換（傳感）元件，并選用電橋作測量電路；傳感器輸出信號經(jīng)放大后，進行變換，以頻率信號形式輸出到單片機，經(jīng)單片機運算處理，顯示重量值。信號進行變換可以增加信號傳輸距離，并具

4、有抗干擾能力。同時省掉了環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)精度，簡化了與單片機的接口。方案組成框圖如圖1所示。</p><p>　　三、電阻應(yīng)變式測力傳感器部分的設(shè)計：</p><p>　?。?）等強度梁結(jié)構(gòu)設(shè)計：</p><p>　　等強度梁的結(jié)構(gòu)如圖2所示，是一種特殊形式的懸臂梁。其特點是：沿梁長度方向的截面按一定規(guī)律變化，當集中力作用在梁三角形頂點上時，距作用點任何距離截面上的

5、應(yīng)力相等，故在對方向上黏貼應(yīng)變片位置要求不嚴。梁的固定端寬度為，自由端寬度為，梁長為，梁厚為。</p><p>　　根據(jù)懸臂梁特性，當重力作用在自由端時，最大彎曲應(yīng)力為</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　則應(yīng)變?yōu)?lt;/b></p><p><b>　　（

6、2）</b></p><p>　　式中 W——被稱物體重力；</p><p><b>　　——梁厚度；</b></p><p><b>　　——固定端寬度；</b></p><p><b>　　L——梁長；</b></p><p><

7、b>　　E——彈性模量。</b></p><p>　　根據(jù)式（1）和強度理論，可寫出強度條件：</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　式中 ——梁材料的許用應(yīng)力，可從材料手冊查得。</p><p>　　由許用應(yīng)力、稱重范圍及允許梁占用的空間幾何尺寸，加以經(jīng)驗值，來選擇制造梁

8、的材料，確定梁長、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。</p><p>　?。?）測量電橋設(shè)計：</p><p>　　為了消除非線性誤差和溫度誤差對測量結(jié)果的影響，設(shè)計的測力電阻應(yīng)變式傳感器采用四臂差動式電橋測量電路。距固定端較近的表面順著梁的長度方向分別貼上、和、（、在底部）四個電阻應(yīng)變計。若、承受拉力，則、將受到壓力，兩者應(yīng)變相等，但極性相反，如圖3所示。</p><p>　　設(shè)，

9、，，則差動全橋輸出電壓公式為</p><p>　　因此，電橋輸出電壓與（應(yīng)變片電阻變化）成嚴格線性關(guān)系，消除了電橋非線性的影響，也消除了溫度誤差的影響。輸出電壓比單臂電橋增大四倍，靈敏度也提高4倍。</p><p>　?。?）溫度誤差及其補償</p><p><b>　　1、溫度誤差：</b></p><p>　　由于測

10、量現(xiàn)場環(huán)境溫度改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生溫度誤差的主要因素有以下兩點。a.電阻溫度系數(shù)的影響。b.試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。</p><p><b>　　2、溫度補償方法：</b></p><p>　　電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有電橋補償和應(yīng)變片自補償兩大類。</p><p>　　a.電橋補償法，也稱

11、補償片法。電橋補償法的優(yōu)點是簡單、方便，在常溫下補償效果較好，其缺點是溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。</p><p>　　b.應(yīng)變片的自補償法。粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補償應(yīng)變片。</p><p>　　c.熱敏電阻補償法。熱敏電阻處在于應(yīng)變片相同的溫度條件

12、下，當電橋的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻的阻值也下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出，補償應(yīng)變片溫度變化引起的輸出下降。</p><p>　?。?）半導(dǎo)體應(yīng)變片參數(shù)選擇：</p><p>　　半導(dǎo)體應(yīng)變片常采用硅、鍺等材料做成單根狀的敏感柵，其使用方法與金屬應(yīng)變片相同。其電阻變化與應(yīng)變之間的公式如下：</p><p>　　式中 ——縱

13、向壓阻系數(shù)；</p><p><b>　　E——彈性模量；</b></p><p><b>　　——應(yīng)變。</b></p><p>　　設(shè)應(yīng)變片靈敏系數(shù)，則</p><p>　　因此，電橋的輸出電壓為</p><p>　　按照該設(shè)計要求，因此選擇鉑式應(yīng)變片。因為鉑式應(yīng)變計具有

14、以下的優(yōu)點：</p><p>　　易批量生產(chǎn)，電阻均勻，離散性小，可根據(jù)需要制成任意形狀；</p><p>　　可制成長度很小的應(yīng)變計，可為0.2mm；</p><p>　　表面積大，散熱性好；</p><p>　　厚度比絲式薄，所以撓性好，扁平形狀的柵有利于變形的傳遞；</p><p>　　蠕變小，疲勞壽命高；<

15、;/p><p><b>　　應(yīng)用普遍。</b></p><p>　　因此，根據(jù)后續(xù)電路對輸入信號幅值的要求，選擇型號為BE350—3AA80X。其中：B——鉑式；E——酚醛，縮醛；350——電阻值為350Ω；3——表示敏感柵長度為3mm；AA——表示敏感柵結(jié)構(gòu)形式為單軸片；80——表示極限工作溫度為80；X——表示接線方式為標準引線焊接方式。</p><

16、;p>　　（5）電阻應(yīng)變片的粘貼以及接線方式：</p><p>　　將四只半導(dǎo)體應(yīng)變片用黏結(jié)劑貼在彈性元件等強度梁上（如下圖所示），并連接成全橋，就構(gòu)成了一個完整的電阻應(yīng)變測力傳感器。粘貼質(zhì)量對傳感器的性能起到非常關(guān)鍵的作用，可分為如下操作步驟：</p><p>　　準備：先用四氯化碳清洗彈性元件表面，用砂布打出與軸向成角的交叉網(wǎng)紋，打磨至的粗糙度。清洗凈打磨面，確定貼片坐標線，均勻

17、涂一薄層黏結(jié)劑作底。對應(yīng)變片外表和阻值進行檢查核對，刻劃軸向標記并清洗。</p><p>　　涂膠：在準備好的試件表面和應(yīng)變片基底上均勻涂一薄層黏結(jié)劑。</p><p>　　貼片：將涂好膠的應(yīng)變片與彈性元件，按坐標線對準貼緊，去除氣泡和多余膠液，進行固化處理。</p><p>　　復(fù)查：貼片偏差應(yīng)在許可范圍內(nèi)；阻值變化應(yīng)在測量電路預(yù)調(diào)平范圍內(nèi)；引線和試件間的絕緣電阻

18、應(yīng)大于200MΩ。</p><p>　　接線：根據(jù)工作條件選擇好導(dǎo)線，然后通過中介接線片（柱）把應(yīng)變片引線和導(dǎo)線焊接，并加以固定。</p><p>　　防護：在安裝好的應(yīng)變片和引線上涂上防護層（環(huán)氧樹脂、清漆、氯丁橡膠等），以保證應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。</p><p>　　四、電阻應(yīng)變式測力儀電路設(shè)計：</p><p>　?。?）供電電源設(shè)

19、計：</p><p>　　稱重傳感器的電源是由三端穩(wěn)壓塊組成的電源。由2個和互補對管D356和C608組成稱重傳感器的第二級穩(wěn)壓電源，如圖4所示。這一級起到高精度穩(wěn)壓作用，其原理是：的三端穩(wěn)壓集成電路作為預(yù)穩(wěn)壓電源。選用低溫漂特性的運放，以降低運放受溫度影響所產(chǎn)生的溫漂。從圖4可見兩個運放的輸入端均接于精密電壓基準源MC1403的輸出端上而被鉗位，可以認為輸出電壓的誤差不會來自輸入端。D536與C608是一對互補

20、對管，的負反饋電路分別通過這對互補管得發(fā)射極。當溫度上升時，的輸出電壓上升，D536的上升，上升。但是的輸出電壓也隨之上升，導(dǎo)致C608的電壓下降，增大，使下降，維持了動態(tài)平衡；反之亦然。由于正負三端穩(wěn)壓電源的作用，以及由和組成的對稱電源結(jié)構(gòu)，稱重傳感器電橋在無負載時，。并且由于高阻抗使電橋產(chǎn)生浮地效果，完全免除地線帶來的干擾。</p><p>　　經(jīng)上述處理使傳感器電橋電壓達到十分穩(wěn)定的效果，如果電橋的四臂應(yīng)變

21、片的阻值相等，由于受到壓力使電橋的對臂阻值同時增大和減小，則電橋電壓的精度將直接傳遞到電橋輸出端。</p><p>　?。?）稱重傳感器調(diào)零電路：</p><p>　　圖4中標ABCD部分是稱重傳感器全橋電路。電橋輸出端對角線上接一個10KΩ電位器，滑動端通過100KΩ電阻接于電橋電源負端。這是為了克服制造工藝不完全對稱性而設(shè)計的，同時兼做去皮重電路。調(diào)節(jié)可使電位差等于10V，的輸出范圍為

22、0～15mV。</p><p><b>　?。?）放大電路：</b></p><p>　　放大電路是由4個ICL7650組成差分輸入單端輸出的專用儀表放大電路。放大電路主要特點是：采用ICL7650斬波自穩(wěn)零高精度放大器，能比較好地抑制共模電壓干擾。雙端輸入分別進入測量放大器的同相端，所以輸入阻抗大，能夠克服電橋傳感器輸出阻抗低得特點。極低的溫漂系數(shù)。加一級低通有源濾

23、波器以濾除由于放大器ICL7650內(nèi)時鐘斬波頻率引起的尖峰脈沖干擾。</p><p><b>　　調(diào)整使放大倍數(shù)為</b></p><p><b>　　（4）轉(zhuǎn)換電路：</b></p><p>　　在圖4中轉(zhuǎn)換電路時一塊QD4703厚膜電路，輸入電壓為0～5V，輸出頻率為0～50KHz，非線性誤差為。稱重傳感器轉(zhuǎn)換電路可方

24、便的與微機接口，簡化為單片機電路，只占用單片機的一位口。來自放大器的輸出信號經(jīng)過一級低通濾波器濾除放大器的尖峰脈沖，再進行轉(zhuǎn)換，對輸入信號是一個積分的過程，同時也對竄入輸入端的干擾信號進行積分，因而對干擾信號起平滑作用。在轉(zhuǎn)換器的輸出端輸出0～5V標準矩形波頻率信號，在傳輸線上的干擾信號，會疊加在矩形波上，那么只能使矩形波發(fā)生形變，但不會改變波形的有效值，更不會改變輸出頻率，有利于遠距離傳送。轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換分辨率高，為，而12位A/D的分辨

25、率為。圖4中為調(diào)零電位器，為調(diào)滿量程電位器。先使QD4703的腳2輸入10mV電壓，調(diào)使腳7輸出為f=100Hz，然后輸入5V調(diào)使輸出f=50KHz，一般反復(fù)調(diào)幾次，可得到滿意結(jié)果。雙J-K觸發(fā)器74HC76接成二分頻電路，視具體情況而使用。</p><p>　　（5）波形整形輸出級：</p><p>　　稱重傳感器轉(zhuǎn)換電路的最后一級是波形整形輸出級，這一級由一片六反相MC14049構(gòu)成。

26、為了提高驅(qū)動能力把反相器的6個輸入端和6個輸出端分別按并聯(lián)方式連接。至此完成了從稱重傳感器的十幾毫伏的模擬信號經(jīng)過一系列措施到六反相的輸出端變成0～5V的標準頻率信號輸出的過程。輸出信號可直接送到單片機。</p><p><b>　?。?）單片機電路：</b></p><p>　　單片機電路原理圖如圖5所示。為單片機芯片AT89C52工作于11.0592MHZ時鐘，它

27、的P3.5腳（定時/計數(shù)器1的外部脈沖輸入端）和頻率信號相連，對脈沖序列計數(shù)，以獲取頻率信息，從而轉(zhuǎn)換為重量值。的口和口是數(shù)碼管顯示電路的接口，其中，P0口為8位段碼，P2口提供5位位碼（5位7段數(shù)碼顯示）。</p><p>　　五、電子元器件參數(shù)：</p><p><b>　　六、設(shè)計總結(jié)：</b></p><p>　　兩周的課程設(shè)計結(jié)束了，

28、在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程． 通過這次傳感器設(shè)計，本人在多方面都有所提高。通過這次傳感器設(shè)計，綜合運用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實際知識進行一次應(yīng)變式測力儀的實際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨立工作能力，鞏固與擴充了傳感器設(shè)計等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握傳感器設(shè)計的方法和

29、步驟，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習，獨立思考的能力也有了提高。</p><p>　　在此感謝我們的指導(dǎo)老師.，老師嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學(xué)習中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。 同時感謝幫助過我的同學(xué)們，謝謝你們對我的幫助和支持，讓我感受到同學(xué)的友誼。 </p><p>　　由于本人的設(shè)計能力有限，在設(shè)計過程中難免出現(xiàn)錯誤，懇請老師們多

30、多指教,我十分樂意接受你們的批評與指正，本人將萬分感謝。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1] 單成祥主編. 《傳感器設(shè)計基礎(chǔ)》. 國防工業(yè)出版社，2007.9</p><p>　　[2] 何金田主編. 《傳感器原理與應(yīng)用》哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.1 </p><p>　　[