《自动检测技术及仪表》课程设计报告.docx

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《自动检测技术及仪表》课程设计报告

《自动检测技术及仪表》

课程设计报告

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荷重传感器设计

1.压力测量的一般方法的比较与选定

压力传感器应用广泛、影响面宽，不只可以测量力和压力，也可用于测量负荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它们都与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。

传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，其特点是成本低、不需要电源，但体积大、笨重、输出为非电量。

普遍应用的有压阻式、压电式、电容式、电阻式、电感式等等。

近几年又发展了微波传感器、超声波传感器、生物传感器、视觉传感器、光纤式传感器等传感器。

以下分别介绍一般常用的传感器。

放大输出型

标定级

饼型

微型

超小型

罐筒型

同轴嵌入型

圆环柱型

条型

Z型

S型

汽车工业用

表1.1荷重传感器主要类型

1.1压阻式传感器

固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。

半导体材料的这种效应特别强。

其中半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。

压阻式传感器便是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。

利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：

一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。

压阻式传感器灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。

它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。

因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。

图1.1为两种微型压阻式传感器的膜片

图1.1两种微型压阻式传感器的膜片

图1.2压阻式传感器实物图

1.2压电式传感器

压电式传感器以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。

按转换方式可以分为正压电效应和逆压电效应。

当某些物质在外力作用下变形时，某些相应表面上就会产生异种电荷，去掉外力后又回到不带电状态。

这种没有外电场只是形变产生的极化现象称正压电效应。

在这些物质上施加电场时不仅产生极化同时还产生了应力或应变，去掉电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能变成机械能的现象称逆压电效应。

压电式传感器的工作原理是以物质的压电效应为基础，它是一种发电式传感器。

由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要功能，加上它的体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，固有频率高，灵敏度和信噪比高、动态特性好、耐高温等优点，因此，30多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。

压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，许多压电材料的工作温度只有250度左右。

按弹性敏感元件和受力机构的形式，压电式传感器可分为膜片式和活塞式两类。

图1.2为膜片式压电传感器

图1.3膜片式压电传感器图1.4压电传感器实物图

1.3电容式传感器

电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。

电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。

随着电子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器。

因此它广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中。

电容式传感器的基本原理可以用平板电容器说明。

当忽略边缘效应时，其电容C为：

C=

式中δ，S和ε，中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。

δ和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；ε的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。

实际应用时，常常仅改变δ、S和ε之中的一个参数来使C发生变化。

所以电容式传感器可分为三种基本类型：

变极距（变间隙）（δ）型（如图1.5所示），变介电常数（ε）型（如图1.6所示）和变面积型（S）型（如图1.7所示）。

（a）角位移式（b）直线位移式

图1.7变面积型电容式传感器

图1.8电容式传感器实物图

1.4应变式传感器

应变式传感器也称应变片。

电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应,将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。

现已广泛应用于工程测量和科学实验中。

当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻的电阻应变效应。

设有一根长度为L的，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻为：

R=ρ

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，

电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为：

由材料力学知：

其中：

---沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关；

E----弹性模量；---材料所受应力。

忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下：

=

可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。

应变式传感器类型有：

金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。

特点：

①可测微应变1-2μm，且精度高、性能稳定；

②尺寸小、重量轻、结构简单，响应快；

3测量范围大；④环境要求不高；⑤便于多点测量。

图1.10电阻应变片组成图图1.11应变式传感器实物图

1.5电感式压力传感器

在电感式压力传感器中，大都采用变隙式电感作为检测元件，它和弹性元件组合在一起构电感式压力传感器。

检测元件由线圈、铁芯、衔铁组成，衔铁安装在弹性元件上。

在衔铁和铁芯之间存在着气隙δ，它的大小随着外力F的变化而变化。

其线圈的电感L可按下式计算，即

L=N2／Rm

式中N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻（1／H），表示物质对磁通量所呈现的阻力。

磁通量的大小不但和磁势有关，而且也和磁阻的大小有关；当磁势一定时，磁路上的磁阻越大，则磁通量越小。

磁路上气隙的磁阻比导体的磁阻大得多。

假设气隙是均匀的，且导磁截面与铁芯的截面相同，在不考虑磁路中的铁损时，磁阻可表示为：

Rm=

式中l为磁路长度（m）；µ为导磁体的导磁率（H／m）；A为导磁体的截面积（m2）；δ为气隙|量（m）；µ0为空气的导磁率（4π×10-7H／m）。

由于µ0<<µ，因此上式中的第一项可以忽略，代入L=N2／Rm式可得到：

L=

如果给传感器线圈通以交流电源，流过线圈电流，与气隙之间有如下关系

I=2Uδ/（µ0ωN2A）

式中U为交流电压（V）；ω为交流电源角频率（rad／s）。

从以上各式可以看出，当压力引起衔铁的位置变化时，衔铁与铁芯的气隙发生变化时，传感器线圈的电感量会发生相应的变化，流过传感器的电流I也发生相应变化。

因此，通过测量线圈中电流的变化便可得知压力的大小。

图1.11差动式电感传感器

图1.12电感式传感器实物图

结论：

综上所述，应变式测力与称重传感器无论在数量上，还是在应用领域方面，它与其它类型的力与称重传感器相比仍然占主导地位。

因此荷重传感器设计选用应变式传感器。

2.方案制定

由上分析知，荷重传感器课计选用应变式传感器。

设计中只要把应半片贴在承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。

应变式测力传感器一般由弹性体，应变计和外壳组成。

弹性体是测力传感器的基础，应变计是传感器的核心。

根据弹性体的结构形式的不同可分为：

轮辐式，梁式，环式，柱式等。

在测量拉/压力上主要用到以上四种。

2.1轮辐式传感器

外加载荷作用在轮的顶部和轮圈底部，轮辐上受到纯剪切力。

每条轮辐上的剪切力和外加力F成正比。

当外加力作用点发生偏移时，一面的剪切力减小，一面增加，其绝对值之和仍然是不变的常数。

应变片（8片）的贴法和连接电桥如图2.3所示。

可以消除载荷偏心和侧向力对输出的影响。

这是一种较新型的传感器，其优点是精度高、滞后小、重复性及线性度好。

图2.1轮辐式传感器

2.2梁式传感器

梁式力传感器有多种形式，有等截面梁，等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。

等截面梁其特点为结构简单，易加工，灵敏度高。

适合于测5000N以下的载荷，也可以测量小的压力。

等强度梁力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等，故对粘贴应变片位置要求不严。

另外梁的形式还有平行双孔梁、工字梁、S型拉力梁等。

图2.2平行梁式传感器外形尺寸

图2.3平行梁式传感器实物图

2.3环式传感器

环式常用于测几十千克以上的大载荷，它的特点是应力分布变化大，且有正有负，便于接成差动电桥。

环式弹性元件包括典型的圆环式、扁环式、柱环式等。

图2.4环式力传感器

其中（a）为圆环式，（b）为扁环式，（c）为柱环式，（d）为电桥电路

图2.5环式传感器实物图

2.4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分，并均匀对称地粘贴多片。

因为弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性有影响。

所以对实心圆柱，一般取H≥2D+L，而空心圆柱一般取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。

图2.1和图2.2表示出柱（实心）式、筒（空心）式弹性元件的结构。

根据材料力学和惠斯顿电桥原理（均为全桥工作方式）。

柱（筒）式弹性元件的参数可用下式计算：

式中S——传感器的灵敏度（mV/V），静态使用时可取1～1.5mV/V那；如进行灵敏度补尝及线性补偿等，上列值应再乘以1.2～1.25倍；μ——料的泊松比；F——传感器的额定负荷；K——应变计的灵敏系数；E——材料的弹性模量；A——弹性元件贴片部位的截面积：

圆筒式：

圆柱式：

选择D与d时，要考虑到构件的稳定性及加工条件，圆筒式的壁不能太薄。

两端的刚度要足够。

当安装、紧固传感器时，不应使中段产生腰鼓变形。

过渡部分的圆弧半径不可太小，以避免造成应力集中而影响疲劳寿命。

为使贴片部位应力分布均匀，长度L不可太短，圆柱式一般取L=（2～2.5）D，圆筒式可适当短一些。

弹性元件中段的应力为：

σ=F/A

材料选定后，应检查是否满足σ≤[σ]。

[σ]为许用应力，一般取：

σ=（1/3～1/4）σs（N/mm2）

式中，σs——材料的屈服点（N/mm2）

柱式力传感器的结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。

在测1000

～10000N时，为了提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱式结构。

图2.6圆柱面展开及电桥

a）圆柱面展开图b）电桥连接示意图

图2.7柱式传感器外形尺寸

图2.8柱式传感器实物图

综上所述，总结出四种弹性体的比较表如表2.1所示：

类型

负载能力

精度

线性度

工艺性

体积

轮辐式

大

高

好

较复杂

较小

梁式

小

高

较好

简单

小

环式

较大

高

好

较复杂

小

柱式

大

较高

较好

简单

大

表2.1四种弹性元件的比较

结论：

对以上各种形式的传感器进行比较，由于柱式传感器具有负载能力大，精度较高，加工工艺简单，线性度较好等特点，并根据题目的参数要求，测力范围：

5×103～5×105N，称量精度：

±1%和器件的应用性，加工性，本设计选用柱式传感器作为测量元件。

3.弹性元件

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弹性元件的材料

3.1.1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弹性元件的选择

3.2.1常见的弹性元件

（1）等截面梁

（2）等强度梁

（3）两端固定梁

（4）环式弹性元件

（5）平膜片

（6）垂链式膜片

（7）波纹膜片和膜盒

（8）圆柱式弹性元件

（9）波纹管

3.2.2常见的弹性元件材料的对比

型号

40Cr

30CrMnsi

ICr18Ni9

名称

铬钢

合金结构钢

不锈钢

化学成分

C.Mn.Cr

C.Mn.C

C.Mn.Si.Cr.Ni

弹性模量E/GPa

218

210

200

线膨胀系数（10-6/℃）

11

11

16.6

抗拉强度

/MPa

1000

1650

550

屈服点

/MPa

800

1300

200

密度/（g×cm-3）

--

--

7.85

说明

用于制作普通精度的弹性元件

用于制作重要的高精度的弹性元件

弹性稳定性好,适于在高温下工作

表3-1常见的弹性元件材料的对比

结论：

根据应变式拉/压传感器的使用特性和性能指标,荷重传感器的要求又是要求精度不太高，并为保证弹性稳定性好，故选用ICr18Ni9不锈钢作为弹性元件的制造材料，它的抗拉极限

=550MPa,屈服点

=200MPa,弹性模量E=200GPa，泊桑比μ=0.29，密度P=7.85g/cm3。

电阻应变敏感元件采用应变片，为了减小应变片胶层的蠕变和漂移，选择额定许用应变[ε]＝1000×

。

3.2.3弹性元件材料的处理

为确保传感器的精度和性能的长期稳定性，消除弹性元件在机械加工和热处理中产生残余内应力，是十分重要的。

消除弹性元件残余应力的方法有：

1、时效

最有效的方法是长期自然时效，也可采用加温存放的人工实效方法，以加速稳定的过程。

2、退火

由于退火温度较高，保温时间较长，效果比较明显。

3、反复加载和机械振动

采用反复加载和机械振动的方法，有利于内应力的加速释放。

特别是在应变式传感器中，在铁片后进行的疲劳加载，有利于改善产肝气的性能。

在需要考虑应变计的寿命式，可以在贴片前适当增加疲劳次数，而贴片后适当减少次数。

4、冷处理

一般方法是在淬火、第一次回火后，冷到60°时就放入低温中进行保温处理。

一般弹性元件材料的淬火温度约为850°C（冷油）、回火温度在400~500°C之间，硬度为HEC34～48。

3.3弹性元件的分析和计算

对于拉/压力测量，要求传感器弹性元件具有高的弹性极限、高的冲击韧性和疲劳极限，具有良好的机械加工和热处理性能，具有高的抗氧化、抗腐蚀性能，而且热膨胀系数和弹性滞后应尽量小。

对于本设计，比较圆柱式弹性元件与S型弹性元件，由于S型只适用于较低应力的场合，故选用圆柱式。

3.3.1弹性元件的参数计算

圆柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如下图所示。

实心圆柱可以承受较大的负荷，在弹性范围内，则应力与应变成正比关系。

ε=

（3-1）

式中：

F——作用在弹性元件上的集中力；

S——圆柱的横截面积。

圆柱的直径根据材料的允许应力来计算。

图3.1实心圆柱与空心圆柱

由于F/S≤[σ]（3-2）

而S=πd2/4（3-3）

式中d为实心圆柱直径。

则直径d

（3-4）

由上列各式知，若想提高变换灵敏度。

必须减小横截面积S。

但S减小其抗弯能力也减弱，对横向干扰力敏感。

为了解决这个矛盾，在小集中力测量时多采用空心圆筒或采用承弯膜片，空心圆筒在同样横截面情况下，横向刚度大，横向稳定性好。

同理，承弯膜片的横向刚度也大，横向力都由它承担，而其纵向刚度小。

空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。

由于

（3-5）

所以D

（3-6）

式中：

D——空心圆柱外径；d——空心圆柱内径。

弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响。

由材料力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响。

当高度与直径的比值H/D〉〉1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。

试验研究的结果建议采用

H>>2D+L（3-7）

式中L为应变片的基长。

对于空心的圆柱为

H≥D-d+L（3-8）

因此，经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。

3.5.2截面积的计算

根据上表可以比较,本次的传感器采用不锈钢ICr18Ni9,查表得σs=200MPa，E=200GPa。

根据许用应力计算公式[σ]=

，当安全系数

取2得：

选用

=20000N，根据公式（3-5）得：

又因为应变片的应变比为800µε--2000µε,取ε0=1000µε当弹性体的应变比ε1小于c才不至于损坏应变片，得到以下关系式：

ε1=

ε0

当弹性体的截面积同时大于S1，S2时才能满足整体的设计要求。

=max[S1，S2]=

为了使传感器过载50%时不至于损坏可是当增大其面积：

弹性元件的外径D不能选择太小，否则会由于力的偏心造成很大的误差。

在实际计算时先按照额定载荷F，根据材料的参数求得[

]=100MPa，取D=2.2cm

并由式（3-6）得：

取d＝1.5cm

这样空心管的壁厚为：

t＝

3.5.3柱高h及其他尺寸的确定

为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高H应当选得小些，但又必须使应变片能够反映截面应变的平均值，这里选用弹性元件工作段的长度为：

取H＝5cm

由于壁很薄，还必须检验是否会出现局部失稳。

薄壁管的失稳临界应力公式为：

在超过满量程150%的情况下，弹性元件截面中的应力为：

因此，受力超过满量程的150%时的应力还远远小于材料的比例极限和临界应力这表明该元件不会出现弹性失稳。

此外，在两端需有螺纹孔，以便连接螺栓，选用螺孔为M24，它的许用载荷大于50000N。

4.电阻应变片的选择

4.1电阻应变片类型的选择

电阻应变计简称应变计（亦称为电阻应变片或简称应变片）。

它由四个部分组成。

第一是电阻丝（敏感栅），它是应变计的转换元件。

第二是基底和面胶（或覆盖层）。

基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。

第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。

第四是引出线，它作为联结测量导线之用。

电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。

由于电阻丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。

金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。

故选用金属箔式应变片。

箔式应变片的主要优点：

（1）本身性能稳定，受温度变化的影响小；

（2）使用温度范围比较宽，在-269—+350度范围内稳定工作；

（3）适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便；

（4）价格便宜。

（a）单轴的（b）测扭矩的（c）多轴的（应变花）

图4.1各种金属箔式应变片

4.2应变计的材料

4.2.1应变计敏感栅的材料

（1）材料的选用原则

应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求：

a有较高的灵敏系数；

b电阻率高；

c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；

d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强；

e与其它金属接触的热电势小；

f与引出线焊接容易。

（2）常用的应变计材料

目前国内还没有一种金属材料能满足上述全部要求，因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的有康铜、镍铬、卡玛合金、镍铬硅锰等合金。

其各自性能分别如下：

a康铜:

电阻温度系数较小而且稳定，同时它的Ko值对应变值的稳定性非常高，不但在变形的弹性范围Ko保持为常熟，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。

所以用康铜作为敏感栅的音变机，测量范围大，可用于大应变测量（达22％）。

对康铜用不同的方法进行加工、不同的热处理、或者改变合金成份的比例，可以改变它的电阻温度系数（由负值到正值有较大的范围），利用这种特性可以制造温度自补偿应变计。

在静态应变测量时，康铜的工作温度达300°C，在动态测量时，可用到400°C。

它可以在高的流体径压力下和核辐射的环境下工作。

b镍铬合金:

具有较高的电阻率，适于制造小标距的应变计。

但电阻温度系数较大，主要用于动态应变测量，使用温度可达800°C。

在镍铬合金中加入少量的其它金属或元素，可以改善合金的性能。

例如掺入少量的铁、铝可制成卡玛合金（6J22），掺入少量的铜、铝可制成6J23，使电阻率提高和降低电阻温度系数，是指成为更好的适于静态测量的材料。

c铁铬铝合金:

其电阻率较高，灵敏系数较大，而电阻温度系数比镍铬合金小得多，比铜镍合金大。

d铁镍铬合金:

灵敏系数较高，可达3.6。

但由于它的电阻温度系数大（比康铜大6倍以上），同时Ko值在弹性范围和塑性范围时不一样（分别为3.6和2.5），使其应用范围受到限制，它值适用于动态测量。

结论：

综上所述，荷重传感器设计采用的材料是康铜。

4.3应变计主要参数的确定

4.3.1几何尺寸

几何尺寸在能够使得弹性元件的应变得到充分响应，即可选用。

根据经验安全系数ns=2。

因为所选的为塑性材料，

则许用应力

根据σ=Eε得：

因为

根据

，且

=2，

=0.126，

=120Ω，

所以有

所以

因为

＜

；所以应取

进行计算。

传感器受压轴的截面面积为：

因为受力面积较小，故受压轴使用圆筒（空心柱式）式结构。

传感器的灵敏系数的确定（检验应变片的灵敏度是否符合要求）

根据公式：

其中：

μ为材料的泊松比；F为传感器的额定负荷；K为应变片的灵敏系数；E为材料的弹性模量；A1为弹性元件贴片部位的截面积。

有

得此传感器的灵敏系数为：

因为S＜Sg所以应变片的灵敏度符合要求。

4.3.2金属箔式应变片

箔式应变计的敏感栅是用厚度为0.002～0.005毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成。

基底是在箔的另一面涂上树脂胶，经过加温聚合而成，基底的厚度一般为0.03～0.05mm。

图4.2应变计的结构图4.3敏感栅的尺寸

4.3.3基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数

型号

敏感栅尺寸（宽×长）mm×mm

材料

阻值

灵敏度K

基底

PB-5

3*5

箔式

120Ω

2.0～2.2

缩醛胶基

表4.1PB-5应变片参数

5测量电路原理分析及设计

5.1电阻应变式传感器测量电路的各组成电路

5.1.1电桥电路

电桥电路是传感器接口电路中经常使用的电路,主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或电流信号。

根据电桥供电电源的不同,电桥可分为直流电桥和交流电桥。

直流电桥主要用于电阻式传感器。

直流全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以本设计中荷重传感器