24圆板轮辐式课程设计.docx
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24圆板轮辐式课程设计
目录
1.绪论…………………………………………………………………………………1
2.CZL-204称重测力传感器相关介绍………………………………………………2
2.1电阻应变式传感器的相关介绍………………………………………………2
2.2称重传感器的原理分析及相关计算…………………………………………3
2.2.1结构与原理特点…………………………………………………………3
2.2.2受力分析与理论计算……………………………………………………4
3.弹性元件的计算与选择……………………………………………………………5
3.1弹性元件的要求………………………………………………………………5
3.2弹性元件的尺寸计算…………………………………………………………5
4.应变片的选用及计算………………………………………………………………5
4.1应变片材料类型的选择………………………………………………………5
4.2敏感栅材料及参数的选择……………………………………………………6
4.3应变片基底材料选择…………………………………………………………6
4.4粘接剂材料选择………………………………………………………………7
4.5引线材料选择…………………………………………………………………7
4.6应变片尺寸设计及阻值选择…………………………………………………7
4.7应变片的贴片方式……………………………………………………………7
5.外形设计…………………………………………………………………………8
6.转换电路设计……………………………………………………………………8
6.1全桥放大电路………………………………………………………………8
6.2放大电路的设计计算……………………………………………………10
6.3相敏检波电路……………………………………………………………11
6.4滤波电路…………………………………………………………………12
6.5电路总图……………………………………………………………………13
7.误差来源与精度分析……………………………………………………………14小结体会…………………………………………………………………………15
8.参考文献…………………………………………………………………………15
1.绪论
1.1设计的任务及要求
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强度校核；
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的设计和相关电路参数计算，绘制电路原理图；
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（5000字左右）；
按机械制图标准绘制弹性元件图,机械装配图各一张；
1.2设计的目的意义及发展趋势
本次课程设计主要是针对电阻应变式传感器，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。
本设计为轮辐（圆板）式称重传感器，具有精度高、性能可靠、结构简单、互换性好等优点。
被广泛应用于汽车衡、动态轨道衡、料斗称等领域。
2.CZL-204称重测力传感器相关介绍
2.1电阻应变式传感器的相关介绍
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。
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。
电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。
半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
2.2称重传感器的原理分析及相关计算
2.2.1结构与原理特点
轮辐（圆板）式称重传感器的弹性体利用的是圆平板的弯曲应力，属弯曲型正应力传感器，下面4个螺孔与螺钉配合其固定作用，当重力施加到上面圆板上，会压缩圆板使之向下变形，空腔内的应变片将该微小的变形转化为电阻的改变，然后电阻的改变经过信号转换电路，即可将受到的压力转化为电量输出，从而实现测重的目的，其主要特点是：
结果简单紧凑，体积小，高度低；抗侧向载荷及偏心载荷能力较强；便于防护密封，结构对称，集合外形为圆形，易于加工出很高的加工精度。
图2.1图2.2
2.2.2受力分析与理论计算
轮辐（圆板）式弹性体可视为圆板周边固支，中心凸台上作用一个集中载荷P的圆平板，其力学模型如图一所示，为方便计算，以极坐标原点为圆心，以r为半径，从圆板中取出一薄圆环，并把内力和外载荷都看做是作用在圆板的中面上，其单元体及作用的内力如图二所示。
取平衡条件
上述理论计算是在板的中面没有变形，弯曲时仍保持中性；原中平面法线上各点，弯曲后仍在中曲面法线上；不考虑板的横向应力三个假设和无中心凸台的等厚度板条件下得出的，为简化计算，其最大应力为：
式中K和
为对各种比值b/a和泊松比
=0.3计算所得的因子，具体系数见下表
b/a
1.25
1.5
2
3
4
5
K
0.115
0.220
0.450
0.703
0.933
1.130
0.00129
0.0064
0.0237
0.062
0.092
0.114
3.弹性元件的计算与选择
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。
3.1弹性元件的要求
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。
3.2弹性元件的尺寸计算
由于轮辐（圆板）式称重传感器利用的是圆板弯曲时产生的径向应力，应变，所以在设计与计算时主要控制径向应变值，使其满足称重传感器灵敏度要求，其它部位只要保证强度，刚度条件即可，一般使b与a的比值在2-3之间比较理想，如果结构需要也可以达到4，甚至5。
故我们可以设定
（即2a）为22mm,b为22mm，
为70mm，
为90mm，H1为48mm，M为M10，SR为50，h为10mm，将数据代入式计算得
=220.5MPa，经查找资料，40CrNiMo完全能满足该要求，故选用此合金钢作为弹性元件材料。
4.应变片的选用及计算
4.1应变片材料类型的选择
电阻应变片的种类，规格很多，常见的有金属丝式应变片，金属箔式应变片，半导体应变片。
而其中金属箔式应变片是使用最普遍的电阻应变片，其敏感栅用0.001-0.01mm厚的合金箔利用照相制版或光刻腐蚀的方法制成，栅长最小可做成0.2mm。
比较三种电阻应变片的特点：
丝式应变片：
制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。
但回线式应变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。
箔式应变片：
表面积大、散热性能好，静态、动态特性好，可通过较大工作电流，横向效应小，蠕变、机械滞后小，疲劳寿命高，但工艺复杂。
半导体应变片：
灵敏系数大，动态特性好，但重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。
综合以上分析，决定选用金属箔式应变片，以保证较高的测量精度，测量灵敏度及较高的性价比。
4.2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）。
查询资料，故选用康铜作为应变片材料。
4.3应变片基底材料选择
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。
选择结果：
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。
4.4.粘接剂材料选择
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。
4.5引线材料选择
康铜丝敏感栅应变片的引线常采用直径为0.15-0.18mm的银铜丝。
4.6应变片尺寸设计及阻值选择
目前传感器生产中大多数选用350Ω的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器长期使用的稳定性。
因此，在不考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。
所以就选用电阻值为350
的应变片，而一般来说，应变片栅长越小，测量频率越高，越能正确反映出被测量点的真实应变，故综合考虑选用BH120-5AA箔式应变片，其栅长、栅宽分别为5mm、5.8mm,基底尺寸为9.0mm*4.0mm。
4.7应变片的贴片方式
图4.1
5.形装设计
CZL-204称重测力传感器实物图如图所示
图5.1
CZL-204称重测力传结构图
图5.2
6.转换电路设计
6.1全桥放大电路
电阻应变片计把机械应变转换成ΔR/R后，应变电阻变化一般都很微小，这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。
因此，必须采用转换电路，把应变片计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。
通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。
因为差动电桥不但灵敏度比单臂电桥高，可以消除或减小电桥的非线性误差，而且对应变片受温度影响产生的测量误差也可以消除或减小，因此采用四臂差动电桥。
图6.1
：
应变片电阻；
：
敏感栅面积；
：
敏感栅上的功率密度，可取PG=（1.6~3.1）×10-3W/
代入计算的
=10V
6.2放大电路的设计计算
图6.2
本次课程设计的放大电路我采用三运放高共模抑制比放大电路
由输入级电路可写出流过
和
的电流
为
于是，输入级的输出电压，即运算放大器
输出之差为
当
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，而其共模输出，失调及漂移均在
两端相互抵销，因此电路具有良好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配。
但为了消除
偏置电流等的影响，通常为了抑制公模电压，并达到差模电压放大的目的将各电阻阻值设定为阻值设定为：
;
;
;
因此有：
6.3相敏检波电路
经过放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原为被检测应变信号的波形。
而一般的检波器只有单向的电压输出，不能区别拉压应变信号。
因此，我采用能克服上述缺点的相敏检波器，它可以有双向信号输出，能反映出应变的拉或者压。
其放大增益设为1，所以只是起到检波作用，无放大效果。
则其对应的电阻值为R1=R2=R3=R4=R5=R6/2=1
.电路图如下：
图6.3相敏检波电路
如上图：
当VCC1=1时，Q2导通，Q1截止，同相输入端接地，Us从反相输入端输入，放大倍数为
.当VCC2=1，VCC1=0时，Q2截止，Q1导通，反相输入端通过R3接地，Us从同相输入端输入，放大倍数为
:
从而实现了相敏检波。
6.4低通滤波电路
由相敏检波电路输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤掉，方能得到被检测应变信号的正确波形。
一般用电容，电感组成二型低通滤波器。
对滤波器的特性要求，要考虑到和前级相敏检波电路的匹配，又要考虑和后级记录器的匹配。
由于它要滤去高频波中频率最高分量，即是载波频率
，而一般被测应变信号频率比
小很多，故滤波电路的截止频率只要在（0.3~0.4）
，就可满足频率特性要求。
所以在这里我选用无线增益多路反馈型低通滤波电路。
其示意图如下：
图6,4低通滤波电路
其放大增益而载波信号频率定为500HZ则此滤波器的截止频率为150~200HZ，我选择设计截止频率为200HZ的低通滤波电路，其参数如下：
R1=R3=10K
R2=2.5K
C1=C2=1
;则其增益为：
；截止频率
6.5电路总图的设计
图6.5电路总图
7.误差来源与精度分析
电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：
（1）弹性元件电阻应变计应变粘结剂的单线膨胀系数不同弹性元件的纵向和横向膨胀率不同电阻应变计基底和应变粘结剂底膜的厚度不同在环境温度发生变化时都会产生不同程度的热胀冷缩使电阻应变计敏感栅仁,长或缩短引起电阻值变化
（2）电阻应变计敏感栅材料的电阻温度系数不为零各电阻应变计之间又有一定的分散度而且敏感栅材料的电阻率也随环境温度而变化这都会引起电阻的改变
（3）由于各电阻应变计的引出线及连接导线的长度不同温度变化可引起电桥导线的电阻变化
（4）不同材料如康铜镍等焊点之间存在着较小的热电势也可以引起电阻变化
另外，影响称重传感器稳定性的因素主要有：
（1）称重传感器的结构
称重传感器的弹性元件、外壳、膜片及上压头、下压垫的设计，都必须保证受载后在结构上不产生性能波动，或性能波动很小。
为此在称重传感器设计时，应尽量作到应变区受力单一，应力均匀一致；贴片部位最好为平面；在结构上保证具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力；安装力远离应变区，测量时应避免载荷支承点的位移。
尽管称重传感器属于装配制造产品，但为了保证具有最佳技术性能和长期稳定性，尽可能将它设计成一个整体结构。
（2）机械加工与热处理工艺
弹性元件在机械加工过程中，由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力，切削用量越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力最大。
因此应制订合理的加工工艺和规定适当的切削用量。
弹性元件在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和金属材料相变等原因，在芯部和表层产生方向不同的残余应力，其芯部为拉应力，表层为压应力。
必须通过回火处理工艺，在其内部产生方向相反的应力，与残余应力相互抵消，减少残余应力的影响。
（3）电阻应变计与应变粘结剂
电阻应变计应具有最佳性能，要求灵敏系数稳定性好，热输出小，机械滞后和蠕变小，应变量为1500×10-6时疲劳寿命可达108，电阻值偏差小，批次质量均一性好等。
应变粘结剂应具有粘结强度大，抗剪强度高；弹性模量较大且稳定；电绝缘性能好；具有与弹性元件相同或相近的热膨胀系数；蠕变和滞后小；固化时胶层体积收缩小等。
粘贴电阻应变计时一定要严格控制胶层厚度，因为粘结强度随胶
层厚度的增加而降低。
这是由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面上的内应力很小，产生气泡和缺陷的几率也比较小，应变传递性能好，只要防护密封合理就可达到较高的稳定性水平。
对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。
非线性误差是传感器特性中最重要的一点。
产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。
滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。
由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。
同时在后面放大电路，相敏检波电路以及后面滤波电路都会有人为或者环境影响所带来误差。
8.小结体会
本次课程设计给了我一个亲自动手实践的机会，虽然在自己动手做的过程中有很多时候感觉很迷茫，不知道从哪里突入，但经过自己的一点点查资料以及去问别人慢慢的就好了很多。
这次的课程设计让我对传感器有了更加深刻的认识，从应变片的选择，电路的设计以及各种参数的计算都是一点点的慢慢算出来的在这一系列的过程中对传感器的认识以及对工业设计的艰难也有了些许了解。
总之这一段时间的课程设计也让我收获了许多，也加深了对所学知识的理解。
9.参考文献
《电阻应变式传感器应用技术》主编：
王云章机械工业出版社1991年
《传感器原理及应用》赵燕主编北京大学出版社2009年
《传感器工作原理及应用实例》主编：
黄继昌等人民邮电出版社1998年
《传感器与自动检测技术》主编：
余成波高等教育出版社，2009
《精密机械设计》主编：
庞振基等机械工业出版社2005年
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