基于电阻应变片的YLR压式传感器

1、武汉理工大学传感器原理与工程应用课程设计说明书基于电阻应变片的YLR-3F压式负荷传感器设计一、设计任务分析采用电阻应变片设计一种电阻应变式压力传感器（0-3000kN），具体要求如下：1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥；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（包括放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路、直流放大电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；5. 按规范撰写一份课程设计说明书（5000字左右），说明书最后附上主要材料使用

2、、元器件清单及价格，完成设计项目经费预算。6.设计完成后绘制弹性元件图与机械装配图各一张（附加于图纸）二、传感器的结构设计2.1原理简述电阻应变式传感器为本设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。本设计所测质量范围是0-300t，同时也将后续处理电路的电压处理为最大输出3V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括双运放高共模抑制比放大电路，线性全波检波电路，二阶无限增益多路反馈巴特沃斯低通滤

3、波电路，直流放大电路，以及AD转换和相应的数字显示。2.2应变片工作原理电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。设一根电阻丝，电阻率为，长度为,截面积为S，在未受力时的电阻值为 R= / S - 图一 金属丝伸长后几何尺寸变化如图一所示，电阻丝在拉力F作用下，长度增加，截面S减少，电阻率也相应变化，将引起电阻变化R，其值为= -对于半径r为的电阻丝，截面面积S=，则有=。令电阻丝的轴向应变为，径向应变为，由材料力学可知，

4、为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得=（1+2 -通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为= - 从可以明显看出，电阻丝灵敏系数由两部分组成：受力后由材料的几何尺 受力引起；由材料电阻率变化引起的。对于金属丝材料，项的值比小很多，可以忽略，故。大量实验证明在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。通常金属丝的=1.73.6。可写成= -2.3弹性元件的选择和设计通过查资料可知 40CrNiMo(常用调质钢)有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性，但有回火脆性。焊接性较差，焊前需经高温预热，焊后需消除应力，经调质后使用。一般制作强度高、塑性好的

5、重要零部件，氮化处理后制作特殊性能要求的重要零件，如轴类、齿轮、紧固件等。由此可知 40CrNiMo 适用于本传感器的小量程的测量范围，且又有高的强度和韧性满足设计的传感器要求，所以我选择 40CrNiMo 作为本次设计的弹性元件材料。经查阅资料，40CrNiMo 的弹性模量为 E = 209Gpa，抗拉强度为b =1100Mpa，屈服强度s = 835Mpa，抗剪强度为bs = 384Mpa，弹性极限p=800Mpa，泊松比 u=0.29。2.4应变片的选择和设计应变片的结构形式很多，但其主要组成部分基本相同。其中较为典型的是丝式、箔式和半导体式。2.4.1电阻应变片的结构选择从理论学习中知

6、道，箔式应变片具有敏感栅薄而宽，粘贴性能好，传递应变性能好；散热性好，敏感栅弯头横向效应可以忽略；蠕变，机械滞后小，疲劳寿命长等优点，所以非常适合本次课设的应用。本次实验我使用的是BH350-3HA箔式应变片，阻值为 350，栅长×栅宽为 5.0×2.3（mm mm），其基底尺寸是9.4×10.2（mm mm），该应变片环氧基底，适用于传感器应力分析。2.4.2电阻敏感栅的材料选择敏感栅合金材料的选择对制造电阻应变计性能好坏起着决定性的作用，因此它的材料选择要求比较多，比如：敏感栅必须有较高的灵敏系数，并且在较大的应用范围内保持不变；有高的和稳定的电阻率；电阻温度

7、系数小，电阻温度间的线性关系和重复性好，并有足够的热稳定性；电阻变化率 / R RD 与机械应变具有良好而又宽广的线性关系等。在应变片选用时，只能给予综合考虑，常用的电阻合金大致有以下几种：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金属等。通过查阅资料以及对这几种材料的性能、成本对比，我选择康铜作为敏感栅材料，则敏感栅的应变计灵敏系数 K=2，且其测量范围大。2.4.3基底及引出线材料选择基底材料选择胶基，厚度为 0.03mm-0.05mm。引线材料采用直径为 0.15-0.18mm 的铬镍金属丝引线。最后在安装后的应变片和引线上涂上中性凡士林油做防护作用，以保证应变片工作性能稳定可靠。2.

8、5设计思路以及校核2.5.1电桥设计思路：本设计量程为：力F=3000kN，传感器灵敏度 K 一般为（13）mV/V，这里取 K=2mV/V，以此为依据计算弹性元件的相关参数，再对弹性元件进行强度校核，直至满足灵敏度和使用强度要求。采用恒压源电桥电路，电路图如下所示：粘贴方式：在实际测量中，作用力不可能正好通过柱体的中心轴线，所以这样的柱体弹性元件除了受到拉（压）外，还受到横向力和弯矩。按上图所示进行应变片的粘贴、连接方法可以减小这种影响。图中各应变片上的应变分别为： 式中：为温度引起的虚假应变。2.5.2弹性元件校核：根据桥式电路输出为： /2=（1-3）mV/V取应变片K=2，计算得=0.

9、002/1.29=1.5*10-3取max=2*10-3弹性元件的直径和柱高的计算S=F/E=7.14*10-3m2d=4S/=95.36mm为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高选择h应当选得小些，但又必须使h=2d=190.7mm最大正应力:=F/S=3*1067.14*10-3=420.168MPa<23P=533.33 MPa所以选用此弹性元件，满足在单向最大应力下工作，保证107次以上的寿命核载在超过满量程150%情况下：=1.5F/S=630.32 MPa<P=800 MPa计算表明，受力超过满量程150%时的应力远远小于材料的比例极限和临界应力，这表明该弹性元件不会

10、出现弹性失稳。输出量的计算：桥路灵敏度：U0/Ui=(1+)K/2=1.995mV/V=2.0 mV/V2.5.3电桥输入输出计算Ui=2Rg*PG*Fg式中 Rg：应变片电阻；Fg：敏感栅面积；PG：敏感栅上的功率密度，可取 PG=（1.63.1）×10-3W/mm2取 PG=3.1×10-3 W/mm2计算得电桥输入电压为：Ui=7.0647mV计算得电桥输出电压为：U0=2*7.0647=14mV 三、总体结构设计插座保护套空心柱体（底部螺纹孔）中心柱体（底部螺纹孔）结构设计原理描述：中心柱体上表面承受压力，在底部穿螺纹孔用于和空心柱体螺纹孔进行装配，最后插入螺杆进行

11、固定（螺纹孔型号尺寸见最后附件图）；在空心柱体内部设置应变片及相应的电路(上文已提供应变片位置和贴法)，最后将输出电压输出到空心柱体侧边的插座保护套内；后续接入处理电路，进行相应示数的显示。（结构尺寸参数见附加图纸）四、检测电路设计及原理说明4.1 桥路的设计及原理原理：为了实现对应变片的温度补偿同时提高灵敏度，选择全桥电路作为测量电路，将 4 片应变片接入电桥。其次，考虑到连线导线分布电容的影响及交流电桥的初始平衡性问题（无压力时电桥输出应为零），应在桥路中采取调零电路。四臂电桥接法如上图所示，用电阻电容进行调零；改变电位器上滑动触电的位置，以改变并联到桥壁上的阻、容串联而形成的阻抗相角，可

12、达到平衡条件。电桥最大的输出：U0=2*7.0647=14mV4.2 放大电路设计及原理原理：由于电桥输出的电压较低，信号比较微弱，这需要有输入阻抗很大的放大电路对微弱信号进行放大，而且为抑制测量电路中噪声干扰信号，这里设计双运放高共模抑制比放大电路如上图所示，本设计放大倍数可调以方便于调试可使用。主要放大电路采取差模输入，选择对测力电桥放大，差模信号从双运放的同相输入端输入以获得很大的输入阻抗。这里单运放，低功耗，精密型，微安培输入运算放大器 OP07CP以获得较好的放大性能。控制其放大倍数为 100倍，以减小失真。电路原理计算：输出u0=（1-R2R4R1R3）uic+12(1+2R4R3

13、+R2R4R1R3)uid为了获得零共模增益，上式等号右边第一项必须为零，可取R1R2=R4R3此时，电路的差动闭环增益为Kd=1+R4R3，带入得放大100倍。4.3 线性全波检波电路及原理原理：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。本次设计只测量压力大小，所以不需要判别力的方向，即不需要判断输入信号的相位，只需要将其大小检出即可，所以本设计采用精密线性全波检波电路如上图所示；本设计用全波精密检波电路进行包络检波和绝对值的计算，图中 U5为反相放大 器，U3为电压跟随器。Vof >0 时，D2 和 D4 导通，D1、D3 截止，uo=Vof；Vof&

14、lt;0 时， D1、D3导通，D2 和 D34截止，取 R5=R7， Vo=- uo ，所以输出 uo 始终为 Vof 的绝对值，为减小偏置电流影响，取 R6=R5R7， R8=R9；由于检波电路不对信号进行放大，故只要保证阻值关系即可。这里的输入阻抗不能过大，经过软件仿真，若取 R5为 20k，用示波器查看发现 Vof 为负的时候波形偏移失真较严重，故须减小输入端所加的电阻，为了避免电路设计所使用的电阻值种类过多，增加元器件的互换性和采购的方便性，故设计尽量使用阻值一样的电阻，而下述滤波器的设计需要严格满足阻值的精度和大小，故这里电阻阻值根据滤波器使用的电阻来设计。4.4 无限增益多路反馈

15、型电路（巴特沃斯低通滤波器）原理：这里低通滤波器设计截止频率为5Hz。本设计采用性能较好的二阶滤波器以提高测量的精度和减小信号的漂移，采用无限增益多路反馈型二阶巴特沃斯低通滤波器。根据二阶有源滤波器设计电容选择用表，确定电容 C1=10uF，则换标系数 K=100 / fc·C1=2，则R11=2.565 k，R12=3.292 k，R10=5.130 k经过查阅资料得知，市场上没有这两种标准的电阻卖，故在误差允许范围内做调整令R10=5.0 k，R11=2.0k，R12=3.0k，运放同相输入端匹配电阻 R13=1.0k以减小运放零点的漂移。4.5 直流放大电路原理：电桥输出的信号

16、经过一级放大与检波、滤波后信号依然很微弱，需要接直流放大电路将其放大，且对应的电压为3V。U6为反相放大器，以使最后输出信号为正。设置反馈电阻 R16为变阻器，以调节本级电路放大增益，便于后续的输出和显示。4.6 AD转换及显示电路本电路由3ADC0832、数码显示管以及单片机电路构成。连接电路后，将测得值直接显示在数码管上，没有因长距离离输送信号带来的误差，可使测量结果更加精确。选用ADC0832原因 （1）其为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间；（2）芯片转换时间仅为32S，据有

17、双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强；（3）独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便；（4）通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。五、电路仿真结果及误差分析5.1电路仿真结果5.1.1运算放大电路放大电压示数 由电压表示数易知：双运放电路将输入信号放大了100倍。5.1.2线性全波检波波形图由图可知：线性检波电路将正弦信号横轴以下的部分全部转为横轴以上，实现了包络检波功能。5.1.3低通滤波后波形对照图由图可知：经过低通滤波后，交流信号已经变为几乎没有变化的直流信号。5.1.4直流放大后电压示数由电压表示数易知：经过双运放放大电路、线性

18、检波电路、低通滤波电路、直流放大电路后，电压输出为3.006V，与原电路设想3V相差无几，非常符合设计要求。5.2误差分析误差的形成主要来源于温度误差，造成温度误差的原因主要有以下两个：第一，敏感栅电阻随温度变化会引起误差；第二，试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同，使应变丝产生附加拉长或压缩，引起电阻变化。这样的温度误差可以通过桥路进行补偿，如本设计中的全桥电路就很好地实现了温度的补偿其次，电桥还具有非线性误差，由于对金属丝电阻应变片，电桥非线性误可以忽略，所以也不影响本次设计。第二，电路设计中由于元器件如电容电阻等无源器件制造误差和近似误差而造成的测量误差，有源器件如运放的漂移和两输入端不

19、对称而造成的共模干扰误差，以及线路的寄生电容、电感造成的误差，需要选择性能较高的运放以提高测量精度。还有弹性元件关键尺寸误差而造成的实际应变量与显示应变量不一致而造成的误差等。所以对于如同工频等的干扰，我们尽量通过电路的优化除去干扰，如通过高共模抑制比以放以及低通滤波器进行改进。我们应当尽可能的通过合理设置弹性元件结构、合理设置电路的补偿与矫正来减小误差，提高测量精度。六、小结、建议与体会整个设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于教材管理系统，其程序是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎