压力传感器设计

1、传感器与检测技术电阻应变式压力传感器的设计学院：信息技术学院指导老师：蔡杰班级：B1106姓名：张佳林学号：0915110629目录签签签签签签签签签签签签签签签签 书书书书书书书书书书书书书书书书 定定定定定定定定定定定定定定定定 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 匕日 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 -X、 - - - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 - X、 .一F . 一F . 一F . 一F . 一F .

2、 一F . 一F . 一F . 一F . 一F . 一F . 一F . 一F . 一F . 一F . 一F 未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。未指定书签。 ! 误误误误误误误误误误误误误误误误 世日 世日 世日 世日 世日 世日 世日 世日 世日世日 世日 世日 世日 世日 世日 世日 电电电电电电电电电电电电电电电电2.1 原理简述2.2 应变片检测原理2.3 弹性元件的选择及设计2.4 应变片的选择及设计3.1 电桥电路的设计3.2 放大电路的设计3.3 移

3、相器的设计3.4 过零比较器的设计.3.5 相敏检波电路的设计3.6 低通滤波器的设计.电阻应变式压力传感器的设计、方案设计原理框图如图一所示（质量）压力电阻应变片g）交流电桥 15交流3.7 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2（r记 r）图一金属丝伸长后几何尺寸变化S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，

4、电阻率 也相 应变化，将引起电阻变化 R,其值为f= 一2+ 对于半径r为的电阻丝，截面面积r2,则有s.s = 2 rfr。令电阻丝的轴向 应变为1/1 ,径向应变为r.-1r ( l/l) , 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 K=-R-R (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(/ ) -1。对于金属丝材料， (/ ) _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

5、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质量的检测是通过对压力的检测实现的，所以弹性元件承受物重 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302A,其抗拉应力是1700,屈服弓S度是1000,弹性模 量是211。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下式计算:6F1。Ebh2式中:距自由端为10处的应变值;1 梁的长度；梁的材料弹性模量;梁的宽度;梁的厚度。通过设计，选取1=20,

6、 10=14103现校核如下:6F10 bh26 100 14 10-3-3-6 Mpa=93.3Mpa 1000Mpa10 109 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。选择4片箔式应变片( 120-02)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 0.5 0应变片粘贴在距自由端10处，

7、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0.030.05 。引线材料采用直径为0.15-0.18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:6F10-36 100 14 103Ebh2211 109 10 10-3 9 10-6=4.4 10-40时，其导通，U4A正极为0电位,信号从负极输入，放大倍数为-四=-1,止匕时U1out0;当U3out0时，截止，R8信号从正极输入，放大倍数为1,此时U1out0o因此，相敏检波实现了

8、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40。电路图如图八所示。（接表头显示）图八低通滤波电路1若取R10=1kQ,则由 二40HZ 可解得C1=4,另外取R9=50Q,则2 R10C1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，也还原 R9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 0-10 （也 即压力为0-

9、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 0-10V的电压实现对物体的称重，也即 1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

10、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，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的 事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟， 会面对需要面对的事情。六、致谢很高兴这一年和蔡老师的相处。我们不仅是师生，更成为了生活中的朋友。 在这次设计中，离不开同学们的互相协助。没有讨论，就不会一次次