电阻应变式拉力传感器及转换电路设计Word下载.docx
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3112002321
一、课程设计的内容
通过“传感器设计与实践”课程设计，把握传感器设计的一样进程与步骤。
具体内容包括：
了解拉力测量的一样方式；
制定利用应变式传感器测量拉力的方案；
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
一、本实践环节，采纳以教学辅导、学生自主设计、自主实验的教学形式。
二、传感器技术参数：
测力范围：
2×
103～5×
104N；
称量精度：
±
1%
3、要求设计说明书字数很多于5000字。
三、课程设计应完成的工作
1、了解拉力测量的一样方式，制定利用应变式传感器测量拉力的方案；
二、进行必要的理论分析与计算，确信传感器大体尺寸；
3、应变式拉力传感器结构设计；
绘制传感器装配图和部份零件图；
4、传感器转换电路的设计和仿真调试；
五、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1-308
1月12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
1月13~14日
3
传感器主要结构设计，装配图、零件图的设计
1月14~18日
4
根据所设计的传感器结构，设计转换电路
1月18日
5
传感器测量转换电路仿真调试
1月18~21日
6
传感器制作工艺研究
1月21日
7
撰写设计说明书
1月21~22日
8
分组答辩
1月23日
五、应搜集的资料及要紧参考文献
一、李科杰．新编传感器技术手册（M）．国防工业出版社，2002年
二、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
五、陈尔绍．传感器有效装置制作集锦（M）．人民邮电出版社，2000年
六、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：
2021年1月12日指导教师签名：
陈益民、黎勉、查晓春
打算完成日期：
2021年1月23日基层教学单位责任人签章：
主管院长签章：
摘要
应变式拉/压力传感器普遍应用于自动操纵和质量操纵，称重系统，闭环操纵，纺织机械，检测机械的闭环操纵，质量操纵，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，其中包括大体的理论分析、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：
一、把握和了解相关传感器的大体测量方式和研究动态；
二、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；
五、对传感器转换电路进行必要计算，进行电路设计调试；
六、对传感器静态特性标定设备和方式进行研究。
关键字：
应变式拉力传感器弹性元件应变片转换电路信号放大电路
目录：
1.绪论
1.1.相关背景
人们为了从外界获取信息，必需借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律和生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情形，就需要传感器。
因此能够说，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期。
在利用信息的进程中，第一要解决的确实是要获取准确靠得住的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的要紧途径与手腕。
在现代工业生产尤其是自动化生产进程中，要用各类传感器来监视和操纵生产进程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最正确状态，并使产品达到最好的质量。
因此能够说，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。
现代科学技术的进展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观看上千光年的茫茫宇宙，微观上要观看小到cm的粒子世界，纵向上要观看长达数十万年的天体演化，短到s的刹时反映。
另外，还显现了对深化物质熟悉、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各类极端技术研究，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，第一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显现，往往会致使该领域内的冲破。
一些传感器的进展，往往是一些边缘学科开发的前驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境爱惜、资源调查、医学诊断、生物工程、乃至文物爱惜等等极为之泛的领域。
能够毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各类复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各类各样的传感器。
由此可见，传感器技术在进展经济、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进展。
相信不久的以后，传感器技术将会显现一个飞跃，达到与其重腹地位相称的新水平。
1.2.设计概述
电阻应变式拉力传感器普遍应用于自动操纵和质量操纵，称重系统，闭环操纵，纺织机械，检测机械的闭环操纵，质量操纵，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。
既有一样应用的产品，也有适合专门应用的产品。
产品有各类型号，既有超小的，也有柱状的，能适合各类各样的应用。
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：
依照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，并依照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。
其要紧的技术指标为测力范围2×
104N，称量精度：
1％。
本设计采纳了圆筒式弹性元件，稳固性好，输出信号大，灵敏度高，精度高等特点。
应变片采纳了箔式应变片，转换电路为高输出精度的全桥电路，采纳三级放大电路，利用补偿电阻进行温度补偿。
所包括的内容有：
1）把握和了解相关传感器的大体测量方式和研究动态；
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式进行研究。
所包括的知识点有：
传感器原理、传感器类型与结构，传感器技术参数，阻碍技术参数的因素及设计中的考虑，传感器灵敏元件选择与计算、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，传感器的标定方式等。
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，全面把握相关传感器的设计与调试技术。
培育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，独立试探能力，和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
测量大体原理是将被测的非电量转换成电阻值的转变，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转变），将测量物体变形转换成电阻转变，再经转换电路变成电量输出。
引发的阻值转变△R，伸长量△
，电阻率转变量△ρ，横截面积的相应减小量△S；
那么有：
（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转变量，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）
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发电阻值的相对转变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转变，即
；
另一个是受力后材料的电阻率发生的转变，即
。
对金属材料电阻丝来讲，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，电阻的相对转变与应变成正比，即K为常数。
依照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转变，引发应变片电阻值也发生相应的转变。
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
正比于电阻的相对转变
，这确实是利用应变片测量应变的大体原理。
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，由弹性灵敏元件和电阻应变片组成。
将电阻应变片粘贴在弹性灵敏元件上，当弹性灵敏元件在被测量作历时其表面会显现变形，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。
目前已普遍应用于冶金，电力，交通，外贸，国防等部门，它之因此成为如此受宠要紧有以下优势：
（1）精度高，测量范围广，适合静态和动态测量；
（2）利用寿命长，性能靠得住稳固；
（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样由弹性体、应变计和外壳组成。
应变式传感器技术成熟，能专门好应用在大负载的测量中。
只要把应变片贴在经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。
依照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份，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阻碍，因此对实心圆柱，一样取H≥2D+L，而空心圆柱一样取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R一、R3串联，R二、R4串联并置于相对位置的臂上，以减少弯矩的阻碍。
横向贴片作温度补偿用。
柱式力传感器的结构简单，能够测量大的拉压力，最大可达107N。
它有如
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