基于电阻应变片的位移传感器课程设计.docx

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基于电阻应变片的位移传感器课程设计

1.绪论

1.1相关背景

传感器（英文名称：

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，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代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，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。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到秒的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，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，首先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出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、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发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

1.2设计概述

电阻应变式传感器（straingaugetypetransducer）以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。

电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。

弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。

电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

本次设计主要内容是基于电阻应变片的位移传感器及其放大、整流、滤波电路的设计。

本次设计的主要目的和意义：

根据位移传感器的测量量程以及测量精度，选取合适的电阻应变片材料、阻值以及粘贴方式，根据其需要，接成半桥单臂、半桥双臂或者是全桥的形式，由于传感器输出的电压较小，而且存在着一定的干扰信号，需要经放大电路放大至伏级电压，并且经过测控电路整流滤波之后，以便后接仪表或者是A/D转换器进行数据输出。

主要技术指标要求：

测量量程0~100mm大位移，误差在1%以内

应用范围：

适用于0~100mm位移的测量，广泛应用于交通运输安全监测中，常用在工业自动化或者建筑桥梁方面。

根据位移量的大小输出大小不同的电信号，进而判断位移量的大小。

2.方法论证

2.1电阻应变片式位移传感器工作原理及其特点

工作原理：

如图2.1所示，传感器总体由6部分构成，分别是：

1.测量头2.弹性元件3.弹簧4.外壳5.测量杆6.调整螺母。

应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，弹性元件与弹簧采取串联方式，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。

通过测量电阻应变片的阻值变化，进而经过测控电路处理得到要测量的位移量。

图2.1电阻应变式位移传感器结构

弹性敏感元件的作用是组成传感器的主要敏感元件，要根据被测量的参数来选择其具体的结构形式，电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，将被测的物理量转化为电阻变化，再经过转换电路转换为具体的电量输出。

电阻应变片有多种形式，常用的有丝式和箔式。

它是由直径为0.02～0.05mm的康铜丝或者镍铬丝绕成栅状（或用很薄的金属箔腐蚀成栅状）夹在两层绝缘薄片（基底）中制成，用镀锡铜线与应变片丝栅连接作为应变片引线，用来连接测量导线。

电阻应变片的工作原理：

金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。

将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。

dR/R=Ks*ε

其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。

ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。

由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。

2.2测量特点

2.2.1电阻应变式传感器主要具备以下几个优点：

1、精度高

2、测量范围广寿命长

3、结构简单，频响特性好

4、能在恶劣条件下工作

5、易于实现小型化、整体化和品种多样化等

2.2.2电阻应变式传感器同时具有以下缺点：

对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的后续补偿措施。

2.3弹性元件的选择

当外界载荷作用于物体上时，其形状和参数都将发生一定的变化，这一过程我们称之为物体的变形。

当去掉外界载荷后，物体形变变为0，这种变形我们称之为弹性变形。

这种物体我们称之为弹性元件。

在传感器中，通常使用弹性元件直接感受被测量，作为测量过程的最前端。

这样的弹性元件，既充分利用弹性变形实现测量机理的元件就是弹性敏感元件。

弹性元件是传感器，仪器仪表的核心，在传感技术中有着非常丰富的应用。

传感器中常用的弹性元件主要有：

梁，柱式，弦丝，平模片，波纹膜片，膜盒，壳体，弹簧管，波纹管等。

在实现测量过程中，根据不同弹性元件的结构特点，可以利用其在外界载荷作用下的等效刚度，等效质量或等效阻尼间接进行测量。

本次课程设计中，我们主要讨论采用梁式力传感器，可以采用的方案有等强度梁，和等截面梁。

本次课程设计我们采用如图2.3所示的等强度梁。

一端固定，一端自由，厚度为h，长度为l，固定端宽度为

，力F作用在延伸出部分顶点，其表面应变为：

图2.3等强度梁的结构

图2.4所示为等强度梁的应变片粘贴方式，R1、R4同侧，R2、R3同侧，这两侧的应变方向刚好大小相等，方向相反，可构成全差动电桥。

图2.4等强度梁的贴片方式

我们需要选择弹性元件材料，根据《新编传感器手册》中查询及位移传感器的使用特性和具体性能指标，我们选取17-4PH不锈钢作为弹性元件的制造材料，主要原因是17-4PH不锈钢具备我们需要的这些优点：

17-4PH合金是沉淀、淬火、马氏体不锈钢，具有较高的强度，硬度和抗腐蚀特性。

经过热处理后，机械性能更为完善，可以达到高达1100-1300MPa的耐压强度。

正是因为具备以上优点，所以选它作为应变式拉/压弹性元件材料。

其泊松比为0.272弹性模量为195x

MPa。

屈服强度为620MPa。

3.相关理论分析计算及部件设计

3.1弹性元件的尺寸设计

我们选择等强度梁作为弹性元件，梁表面的应变为ε=

，我们预先设定梁的厚度h=1.5mm，长度l=4cm，材料为17-4PH不锈钢，其屈服强度为620MPa，取安全系数为2.3，则其许用应力

，许用切应力为148.5MPa，弹簧取70号弹簧钢，初始长度为12cm，弹性系数K=300N/m，由于量程为0~100mm，因此最大延伸量取ΔL=12cm，即Fmax=30N。

由于梁在最大载荷下梁的应力不得超过材料的许用应力

，由公式可以进一步求得梁的宽度

，

=

。

代入数据可得，

≧1.2cm，取

=2.5cm。

等强

度梁的顶端截面积最小宽度应该由材料的允许切应力τ来决定。

b≧

代入数据，可得，b≧0.202mm，取b=1.5mm。

3.2应变片的选择

查阅手册，我们可以得到如表3.2所示的应变片性能参数表

金属应变片

薄膜应变片

厚膜应变片

应变片厚度

50~300μm

1~5μm

5~25μm

电阻值

250~350Ω

600~2000Ω

102~106Ω

应变系数K

2~4

2~4

10~20

综合精度

0.1%~0.5%

0.1%~0.5%

0.3%~0.5%

功耗（10V）

30~10mA

<10mA

<2mA

稳定性

差

好

好

表3.2应变片性能参数表

4.根据位移式传感器的使用特性和性能指标，本设计使用金属应变片作为测量拉-压应力的应变片。

金属应变片又分为金属丝式应变片，金属箔式应变片和金属薄膜式应变片，本设计中我们选用金属箔式应变片。

贴片胶我们选用1720胶。

金属箔式应变片具有以下优点：

（1）.制作简单

（2）.稳定性能较好（3）价格较低（4）易于粘贴。

应变片型号为BH-AA系列箔式应变片，为了提高灵敏度，常使用较高的供电电压，但是随着电压升高，应变片的发热量也会随之上升。

误差也就随之增大。

应选用较大的阻值，在这里，我们选用阻值R=350Ω，国家标准中规定的常温应变片使用温度为-30~60℃,一般康铜合金的最高使用温度为300℃，所以，敏感栅材料在这里我们选用康铜合金，其灵敏系数

=2，由于设计中我们采用的是等强度梁，等强度梁的应变分布较为均匀，可以选用栅长较大的应变片，综合以上分析，我们选择BH350-2AA型箔式应变片，敏感栅面积为2.0*2.4m

标称电阻350Ω，基底尺寸为6.0*3.6m

，基底材料要求机械强度高，粘贴容易，电绝缘性好，热稳定性好，抗潮湿性能好，挠性好（能够粘贴在曲率半径很小的曲面上），无滞后和蠕变。

我们在这里选择胶基，环氧树脂基底，用于位移传感器的应变片。

3.3应变参数校验

结束应变片尺寸选择和弹性元件的材料、尺寸、形式的选择之后，我们对所选择的参数进行校验。

等强度梁的应变公式为：

ε=

E：

弹性元件弹性模量l：

弹性元件长度

弹簧作用力F=KΔLK：

弹簧的弹性系数ΔL：

弹簧伸长量

F的范围为0-30N，E=195x

MPa，

=2.5cm，弹性元件应变范围为ε=

=0~656μm。

656μm<1000μm，因此，弹性元件应变范围合格。

弹性元件所承受的最大应力为：

=

=

=128MPa<270MPa。

弹性元件承受的最大切应力为

≧

=

=20MPa<148.5MPa。

校验结果表明，所选用的弹性元件各方面符合设计要求。

3.4壳体及元件材料选择

悬臂梁材料要求弹性好，稳定性好，我们这里选择17-4PH弹簧钢做悬臂梁

弹簧采用70号弹簧钢制弹簧，取K=300N/m,初始长度为12cm，极限延展长度为12cm

测量头要求性能稳定，刚度和强度足够高，经济性好，我们这里选用较为常见，价格较为低廉的304不锈钢作为材料

测量杆要求有较大刚度，避免出现受力弯曲现象，因此我们选用Mn合金钢作为测量杆的材料。

外壳要求轻巧，价格便宜，不易腐蚀，易加工，因此我们选择铝合金作为外壳材料。

4.测量电路原理以及设计

4.1直流稳压电源的设计

由于我们采用了差动全桥的设计，需要4V直流稳压电源给全桥供电，因此我们需要设计一个4V直流稳压电源。

电路设计如图4.1所示

图4.1直流稳压电源的设计图

4.1.1直流稳压电源设计思路：

①电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压；

②降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大；

③脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份；

④滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载

4.1.2电路原理

交流电网220V的电压经过变压器降压之后，通过整流、滤波、稳压之后才可以送到负载，变压器副边电压为

1.1

其中

为有效值。

变压之后，利用单向导电元件二极管，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

在

的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；

的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。

正负半周内部都有电流流过负载电阻RL，且方向是一致的。

整流之后的电流中还含有较多的交流成分。

通过滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。

常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。

在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路。

滤波之后的电流还是很不稳定的，直流电压Ui受电网电压的波动和负载电流变化的影响很难保证输出电流电压的稳定。

所以必须在滤波电路和负载一直加上稳压电路，才能保证输出直流电压的进一步稳定。

电路中可以采用稳压管稳压电路，晶体管稳压电路。

这里采用集成稳压器稳压。

由于设计要求连续可调，采用三端可调式集成稳压器LM317。

输出表达式为：

1.2

其中，

是集成稳压器件的输出电压，为1.25V。

1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压。

改变R2的值，Uo的值即可改变。

当R2短路时，Uo最小，为

即1.25V；当R2大于零时，Uo都大于

，最大可达37V。

由此，滤波后的电流经过稳压器后就可以得到所需要的直流电供给负载2了。

先定R2=500Ω有公式可求得R1=1073Ω。

4.3差动全桥的设计

已知力

=30N时，电阻应变片

，桥路电阻用阻值为700Ω的可变电阻来模拟应变片阻值的变化，取电阻的50%即350Ω模拟应变片的阻值。

，

。

。

令电压灵敏度系数

。

则电压值

在数值上等于0.5倍的F。

差动全桥的设计如图4.3所示

图4.3差动全桥电路设计

4.4放大电路的设计

图4.4放大电路的设计

如图4.4设计为我们设计的电路，为同相串联型高共模抑制比电路，上一级电路差动全桥的输出电压分别接

、

（运算放大器的同相端），当

=

时，得到零共模增益，此时，电路的差模放大倍数为

=1+

，在这里，我们想获得的闭环增益为10倍，因此我们取R4=R2=9.0KΩ，R3=R1=1.0KΩ。

设计结果满足设计需求。

4.5滤波电路的设计

因为在传感器应变片传出信号经差动全桥之后仍然存在大量高频噪声信号，因此我们需要设计一个低通滤波器来滤出这些高频噪声信号。

在这里我们采用压控电压源型低通滤波器。

电路如图4.5所示。

如图所示，为压控电压源型低通滤波电路的设计，滤波器的参数为

=

=1+

，这里取

=

=1，因此取

=0，R=1KΩ。

为滤出高频噪声，允许f以下的频率通过

经测试，设计结果满足预期要求，设计成功。

图4.5滤波电路的设计

4.6总设计图

总电路设计图见附图1