测量振动传感器设计说明书

1、东电力令课程设计报告学生姓名：xxx学号：学院：机械工程学院班级：机械xxx班题目：测量振动传感器指导教师：xxx 职称: 高级工程师2016年1月11日目录一、设计任务分析3.二、方案设计3.2.1 原理简述3.2.2 应变片检测原理3.2.3 弹性元件的选择及设计 5.2.4 应变片的选择及设计5.三、单元电路的设计6.3.1 电桥电路的设计6.3.2 放大电路的设计7.3.3 移相器的设计8.3.4 过零比较器的设计9.3.5 相敏检波电路的设计9.3.6 低通滤波器的设计 .10四、误差分析10五、心得体会 1.1六、参考文献 11、设计任务分析采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量（压

2、力）传感器，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，3 .并根据测试极限范围进行校核；4 .完成传感器的外观与装配设计；5 .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）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；、方案设计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

3、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 0-10kg,同时也将后续处理电路的电压处理为与之 对应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏检波电 路，移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计） 。2.2 应变片检测原理电阻应变片（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1,截面积为S,在未受力时的电阻值为12(r+Z

4、i r)R=/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1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- = -1- + -对于半径r为的电阻丝，截面面积 S= r2,则有 Ss=2 r/r。令电阻丝的轴向应变为1/1 ,径向应变为r/r - ( 1/1),由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得R-=(1+2 )R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 R RK = (1 2 )从可以明显看出，电阻丝灵敏系数 K由两部分组成：受力后由材料的几何尺受力引起(1 2 )；由材料电阻率变化引起的(/ ) -10对于

5、金属丝材料，(/ ) -1项的值比(1 2 )小很多，可以忽略，故K 1 2 。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,R = kR2.3 弹性元件的选择及设计本次设计对气压的检测是通过对压力的检测实现的，所以弹性元件承受气压 也即压力，这就要求弹性元件具有较好的韧性、强度及抗疲劳性，通过查设计手 册，决定选取合金结构钢 30CrMnSiNi2A,其抗拉应力是1700Mpa屈服强度是 1000Mpa弹性模量是211Gpa同时本次设计选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如图二所示图二等截面梁作用力F与某一位置处的应变关系可按

6、下式计算：二里02Ebh式中： 距自由端为l。处的应变值；l 梁的长度；E梁的材料弹性模量;b梁的宽度；h梁的厚度。通过设计，选取现校核如下：l =20mm, l0=14mm,b=10mm,h=3mm6FI06 100 14 10-3=-2 = 36 Mpa=93.3Mpa <<1000Mpabh 10 10-9 10-因此，选取是合理的2.4 应变片的选择及设计从理论学习中知道，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，所以非常适合本次设计的应用。选才¥4片箔式应变片（BX120

7、-02AA阻值为120Q,其基底尺寸是2.4 2.4 (mm mm)。同时敏感珊的材料选择柏 因为其灵敏系数达Ks=4.6 ,且其最高工作温度可以达 800多摄氏度，栅长做到 0.5mm应变片粘贴在距自由端10处，R1和R4粘贴在梁的上方承受正应变，R2和R3则与之对应粘贴在下方承受负应变。粘贴剂选择环氧树脂粘贴剂。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的铭锲金属丝引线。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。这样最大应变为:_ 6F10一 Ebh2-3=4.4 10-4<15 10-4（

8、课设条件要求）6 100 14 10""""9"733 ZTTa211 1010 109 10因此是符合的。且交流电桥的最大输出输入比为:4.4 10-4 4.6 2mVV三、单元电路的设计3.1 电桥电路的设计为了实现对应变片的温度补偿,因此选择全桥电路作为测量电路，将4片应变片接入电桥。桥路图如图三所示其次，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(无称重时电桥输出应为零)，应在桥路中采取调零电 路。桥路接法如图三所示，R5和C2即是实现调零用的，取C2=1uF R5=1.8kQ 电桥输出为Uo=UiKs =Ui o i s

9、i R交流电源频率选择为5KHZ,现使桥路最大输出为10mV则电压幅值为:Ui2 mV V7VUout23.2 放大电路的设计由于传感器输出的电压比较小，因此需对其进行放大使之满足后续电路的处理要求。鉴于传感器输出可能杂有共模电压，为此，选取具有高共模抑制比的AD620作为放大器来达到净化信号电压和充分节约成本和制造的空间的目的。电路图如图四所示。out图四放大电路其放大增益为:为了将10mV勺电压放大到10V,需要放大1000倍，为此选择分配级为50 20 这里放大50倍，因此解得R4=1.008kQo3.3 移相器的设计因为电桥电路输出的电压对载波信号有一定的超前角，一般为几度到几十 度，

10、因此在把载波信号作为相敏检波的参考电压前需对其进行一定的移相处理 图五为0-90°的移相电路。VCC500 QKey=A电源电压U0U2“t#若设R12调节后的有效电阻为图五移相电路R,则移相的推导为:由U&H jtgQ范围，即实现相角在0-90°移动。上式中k=10k10k +100U& ，u&1 j RCU& klAU&啕2R2C2 j RC欣 k 12r2c21RC因为 的数量级为104 ,所以可以取C3=100uF这1¥ R ( R12)可以设定在500以移相电路不改变幅值。3.4 过零比较器的设计在进行相敏检波时，

11、我们更希望参考电压整形为方波， 这样便于比较，因此 设置一个过零比较器LM339实现这一功能。电路图如图六所示。3.5 相敏检波电路的设计由于采用的交流电压不能实现对压力方向的判别， 所以要利用相敏检波的鉴 相特性达到这一目的。电路图如图七所示。从图示知道，用JFET做开关器件，当U3“t>0时，其导通，U4A正极为0R11电包，信号从负极输入，放大倍数为=-1,止匕时U1out>0;当U3out<0时,R8JFET截止，信号从正极输入，放大倍数为1,此时U1out<0。因此，相敏检波实 现了信号的判别，只是与原信号相差一个负号。3.6 低通滤波器的设计由于经过相敏检波

12、后的电压还混有高频载波信号，所以需将其滤掉，又因为相敏检波后输出的电压与原信号差一个负号，所以选择反相一阶有源低通滤波 器，这样就可以得到真正反映原信号的直流输出。低通滤波器截止频率设为40HZ。电路图如图八所示。1若取R10=1kQ,则由 =40HZ 可解得C1=4uF,另外取R9=50Q ,2 R10C1则此环节实现的放大倍数是-R”=-20,则实现了放大倍数的另一级分配，也还R9 原了原始信号的相位。所以至此，就实现了原始信号的测量处理，即能够通过将质量为0-10kg （也 即压力为0-100N）的物体作用于弹性元件（等截面梁）并通过应变片使其电阻 发生变化进而使后续相关电路产生对应的

13、0-10V的电压实现对物体的称重，也即 1kg物体对应1V的电压。将低通滤波后产生的直流电压接入数显表头就可直观 地看出物体质量的大小四、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:1、敏感栅电阻随温度变化引起误差2、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。最后，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 高共模抑制比仪放以及低通滤波器进行改进。因此，从理论上说，本次设计中的误差还是比较好地得到了控制。五、心得体会我认为，在这学期的传感器学习和实验中， 不仅培养了独立思考、动手操作 的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会 了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战， 只有不断的学习、实践，冉学习、冉实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。 以后，不管有多苦