傳感器課程設(shè)計(jì)--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(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，且能在惡劣環(huán)境下工作，在力、壓力和重要測(cè)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(zhǔn)確度高易于制作，簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點(diǎn)。</p><p>　　本文從數(shù)顯電

2、子稱的要求分析入手，將整個(gè)系統(tǒng)分成四個(gè)部分，分析和討論了各個(gè)部分的電路原理、控制策略、實(shí)現(xiàn)方法。詳細(xì)討論了系統(tǒng)的各種工況及信號(hào)的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個(gè)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(cè)量時(shí)，當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，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(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，將電信號(hào)通過(guò)數(shù)碼顯示器顯示出來(lái)，從而完成了將外力變

3、換為電信號(hào)的過(guò)程。</p><p>　　二、設(shè)計(jì)方案的確定：</p><p>　　本設(shè)計(jì)方案應(yīng)用彈性元件作敏感元件，為了使力（重力）的作用點(diǎn)不受限制，本方案選用等強(qiáng)度梁作為彈性敏感元件；為了使輸出信號(hào)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(cè)量電路；傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大后，進(jìn)行變換，以頻率信號(hào)形式輸出到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理，顯示重量值。信號(hào)進(jìn)行變換可以增加信號(hào)傳輸距離，并具

4、有抗干擾能力。同時(shí)省掉了環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)精度，簡(jiǎn)化了與單片機(jī)的接口。方案組成框圖如圖1所示。</p><p>　　三、電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器部分的設(shè)計(jì)：</p><p>　?。?）等強(qiáng)度梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：</p><p>　　等強(qiáng)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(diǎn)是：沿梁長(zhǎng)度方向的截面按一定規(guī)律變化，當(dāng)集中力作用在梁三角形頂點(diǎn)上時(shí)，距作用點(diǎn)任何距離截面上的

5、應(yīng)力相等，故在對(duì)方向上黏貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。梁的固定端寬度為，自由端寬度為，梁長(zhǎng)為，梁厚為。</p><p>　　根據(jù)懸臂梁特性，當(dāng)重力作用在自由端時(shí)，最大彎曲應(yīng)力為</p><p><b>　　（1）</b></p><p><b>　　則應(yīng)變?yōu)?lt;/b></p><p><b>　?。?/p>

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(zhǎng)；</b></p><p><

7、b>　　E——彈性模量。</b></p><p>　　根據(jù)式（1）和強(qiáng)度理論，可寫出強(qiáng)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(cè)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(yàn)值，來(lái)選擇制造梁

8、的材料，確定梁長(zhǎng)、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。</p><p>　?。?）測(cè)量電橋設(shè)計(jì)：</p><p>　　為了消除非線性誤差和溫度誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)的測(cè)力電阻應(yīng)變式傳感器采用四臂差動(dòng)式電橋測(cè)量電路。距固定端較近的表面順著梁的長(zhǎng)度方向分別貼上、和、（、在底部）四個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)。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(dòng)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(yán)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(bǔ)償</p><p><b>　　1、溫度誤差：</b></p><p>　　由于測(cè)

10、量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度改變而給測(cè)量帶來(lái)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(diǎn)。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(bǔ)償方法：</b></p><p>　　電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有電橋補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。</p><p>　　a.電橋補(bǔ)償法，也稱

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

12、下，當(dāng)電橋的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，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(bǔ)償應(yīng)變片溫度變化引起的輸出下降。</p><p>　　（4）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(jì)要求，因此選擇鉑式應(yīng)變片。因?yàn)殂K式應(yīng)變計(jì)具有

14、以下的優(yōu)點(diǎn)：</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(zhǎng)度很小的應(yīng)變計(jì)，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(duì)輸入信號(hào)幅值的要求，選擇型號(hào)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(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)引線焊接方式。</p><

16、;p>　?。?）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(qiáng)度梁上（如下圖所示），并連接成全橋，就構(gòu)成了一個(gè)完整的電阻應(yīng)變測(cè)力傳感器。粘貼質(zhì)量對(duì)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(zhǔn)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(biāo)線，均勻

17、涂一薄層黏結(jié)劑作底。對(duì)應(yīng)變片外表和阻值進(jìn)行檢查核對(duì)，刻劃軸向標(biāo)記并清洗。</p><p>　　涂膠：在準(zhǔn)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(biāo)線對(duì)準(zhǔn)貼緊，去除氣泡和多余膠液，進(jìn)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(cè)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(guò)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(hù)：在安裝好的應(yīng)變片和引線上涂上防護(hù)層（環(huán)氧樹(shù)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(cè)力儀電路設(shè)計(jì)：</p><p>　?。?）供電電源設(shè)

19、計(jì)：</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(gè)和互補(bǔ)對(duì)管D356和C608組成稱重傳感器的第二級(jí)穩(wěn)壓電源，如圖4所示。這一級(jí)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(yùn)放，以降低運(yùn)放受溫度影響所產(chǎn)生的溫漂。從圖4可見(jiàn)兩個(gè)運(yùn)放的輸入端均接于精密電壓基準(zhǔn)源MC1403的輸出端上而被鉗位，可以認(rèn)為輸出電壓的誤差不會(huì)來(lái)自輸入端。D536與C608是一對(duì)互補(bǔ)

20、對(duì)管，的負(fù)反饋電路分別通過(guò)這對(duì)互補(bǔ)管得發(fā)射極。當(dāng)溫度上升時(shí)，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(dòng)態(tài)平衡；反之亦然。由于正負(fù)三端穩(wěn)壓電源的作用，以及由和組成的對(duì)稱電源結(jié)構(gòu)，稱重傳感器電橋在無(wú)負(fù)載時(shí)，。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(lái)的干擾。</p><p>　　經(jīng)上述處理使傳感器電橋電壓達(dá)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(duì)臂阻值同時(shí)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>　　（2）稱重傳感器調(diào)零電路：</p><p>　　圖4中標(biāo)ABCD部分是稱重傳感器全橋電路。電橋輸出端對(duì)角線上接一個(gè)10KΩ電位器，滑動(dòng)端通過(guò)100KΩ電阻接于電橋電源負(fù)端。這是為了克服制造工藝不完全對(duì)稱性而設(shè)計(jì)的，同時(shí)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(gè)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(diǎn)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(jìn)入測(cè)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(diǎn)。極低的溫漂系數(shù)。加一級(jí)低通有源濾

23、波器以濾除由于放大器ICL7650內(nèi)時(shí)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>　?。?）轉(zhuǎn)換電路：</b></p><p>　　在圖4中轉(zhuǎn)換電路時(shí)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(jī)接口，簡(jiǎn)化為單片機(jī)電路，只占用單片機(jī)的一位口。來(lái)自放大器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)低通濾波器濾除放大器的尖峰脈沖，再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)輸入信號(hào)是一個(gè)積分的過(guò)程，同時(shí)也對(duì)竄入輸入端的干擾信號(hào)進(jìn)行積分，因而對(duì)干擾信號(hào)起平滑作用。在轉(zhuǎn)換器的輸出端輸出0～5V標(biāo)準(zhǔn)矩形波頻率信號(hào)，在傳輸線上的干擾信號(hào)，會(huì)疊加在矩形波上，那么只能使矩形波發(fā)生形變，但不會(huì)改變波形的有效值，更不會(huì)改變輸出頻率，有利于遠(yuǎn)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>　?。?）波形整形輸出級(jí)：</p><p>　　稱重傳感器轉(zhuǎn)換電路的最后一級(jí)是波形整形輸出級(jí)，這一級(jí)由一片六反相MC14049構(gòu)成。

26、為了提高驅(qū)動(dòng)能力把反相器的6個(gè)輸入端和6個(gè)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(hào)經(jīng)過(guò)一系列措施到六反相的輸出端變成0～5V的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸出的過(guò)程。輸出信號(hào)可直接送到單片機(jī)。</p><p><b>　　（6）單片機(jī)電路：</b></p><p>　　單片機(jī)電路原理圖如圖5所示。為單片機(jī)芯片AT89C52工作于11.0592MHZ時(shí)鐘，它

27、的P3.5腳（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部脈沖輸入端）和頻率信號(hào)相連，對(duì)脈沖序列計(jì)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(jì)總結(jié)：</b></p><p>　　兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，

28、在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，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(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程． 通過(guò)這次傳感器設(shè)計(jì)，本人在多方面都有所提高。通過(guò)這次傳感器設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)進(jìn)行一次應(yīng)變式測(cè)力儀的實(shí)際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了傳感器設(shè)計(jì)等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握傳感器設(shè)計(jì)的方法和

29、步驟，同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)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(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)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(wú)盡的啟迪。 同時(shí)感謝幫助過(guò)我的同學(xué)們，謝謝你們對(duì)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(jì)能力有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師們多

30、多指教,我十分樂(lè)意接受你們的批評(píng)與指正，本人將萬(wàn)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(jì)基礎(chǔ)》. 國(guó)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>　　[