基于电阻应变的位移传感器课程设计

1、绪论相关背景传感器（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，按必然规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以知足信息的传输、处置、存储、显示、记录和操纵等要求。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操纵的首要环节。传感器的存在和进展，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。通常依照其大体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、放射线灵敏元件、色敏元件和味敏元件等十大类。人们为了从外界获取信息，必需借助于感觉器官。而单

2、靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律和生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情形，就需要传感器。因此能够说，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期。在利用信息的进程中，第一要解决的确实是要获取准确靠得住的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的要紧途径与手腕。在现代工业生产尤其是自动化生产进程中，要用各类传感器来监视和操纵生产进程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最正确状态，并使产品达到最好的质量。因此能够说，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。现代科学技术的进展，进入了许多新领域：

3、例如在宏观上要观看上千光年的茫茫宇宙，微观上要观看小到fm的粒子世界，纵向上要观看长达数十万年的天体演化，短到秒的刹时反映。另外，还显现了对深化物质熟悉、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各类极端技术研究，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，第一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显现，往往会致使该领域内的冲破。一些传感器的进展，往往是一些边缘学科开发的前驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境爱惜、资源调查、医学诊断、生物工

4、程、乃至文物爱惜等等极为之泛的领域。能够毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各类复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各类各样的传感器。由此可见，传感器技术在进展经济、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进展。相信不久的以后，传感器技术将会显现一个飞跃，达到与其重腹地位相称的新水平。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灵敏元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可依照具体测量要求设计成多种结构形式。弹性灵敏元件受到所测量的力而产生变形，并使附着

5、其上的电阻应变计一路变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的转变，从而能够测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。本次设计要紧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。本次设计的要紧目的和意义：依照位移传感器的测量量程和测量精度，选取适合的电阻应变片材料、阻值和粘贴方式，依照其需要，接成半桥单臂、半桥双臂或是全桥的形式，由于传感器输出的电压较小，而且存在着必然的干扰信号，需要经放大电路放大至伏级电压，而且通过测控电路整流滤波以后，以便后接仪表或是A/D转换器进行数据输出。要紧技术指标要求：测量量程0700mme位移，误差在1戏内应用范围：适用于0700mmi移的

6、测量，普遍应用于交通运输平安监测中，经常使用在工业自动化或建筑桥梁方面。依照位移量的大小输出大小不同的电信号，进而判定位移量的大小。方式论证电阻应变片式位移传感器工作原理及其特点工作原理：如图所示，传感器整体由6部份组成，别离是：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转变，进而通过测控电路处置取得要测量的位移量。di瓦I(b)图电阻应变式位移传感器结构弹性灵敏元件的作用是组成传感器的要紧灵敏元件，要依照被测量的

7、参数来选择其具体的结构形式，电阻应变片的作用确实是传感器中的转换元件，将被测的物理量转化为电阻转变，再通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，经常使用的有丝式和箔式。它是由直径为的康铜丝或镶铭丝绕成栅状（或用很薄的金属箔侵蚀成栅状）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路转变，进而发生电阻转变。dR/R=Ks*e其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的

8、电阻转变率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。为测点处应变，为无量纲的量，但适应上仍给以单位微应变，经常使用符号小表示。由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变e与电阻转变率dR/R成线性关系，这确实是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。测量特点电阻应变式传感器要紧具有以下几个优势：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电阻应变式传感器同时具有以下缺点：关于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取必然的后续补偿方法。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必然的转变，这一进程咱们称之为物

9、体的变形。当去掉外界载荷后，物体形变变成0，这种变形咱们称之为弹性变形。这种物体咱们称之为弹性元件。在传感器中，通常利用弹性元件直接感受被测量，作为测量进程的最前端。如此的弹性元件，既充分利用弹性变形实现测量机理的元件确实是弹性灵敏元件。弹性元件是传感器，仪器仪表的核心，在传感技术中有着超级丰硕的应用。传感器中经常使用的弹性元件要紧有：梁，柱式，弦丝，平模片，波纹膜片，膜盒，壳体，弹簧管，波纹管等。在实现测量进程中,依照不同弹性元件的结构特点，能够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。强度梁，和等截面梁。本次课程设计咱们采纳如图所示的等强度梁。一端固定，一端自由，厚

10、度为h,长度为l ,本次课程设计中，咱们要紧讨论采纳梁式力传感器，能够采纳的方案有等固定端宽度为？?o,力F作用在延伸出部份极点，其表面应变成：&=?6凝图等强度梁的结构?0?2图所示为等强度梁的应变片粘贴方式，R1、R4同侧，R2、R3同侧，这双侧的应变方向恰好大小相等，方向相反，可组成全差动电桥。图等强度梁的贴片方式咱们需要选择弹性元件材料，依照新编传感器手册中查询及位移传感器的利用特性和具体性能指标，咱们选取17-4PH不锈钢作为弹性元件的制造材料，要紧缘故是17-4PH不锈钢具有咱们需要的这些优势：17-4PH合金是沉淀、淬火、马氏体不锈钢，具有较高的强度，硬度和抗侵蚀特性。通过热处置

11、后，机械性能更为完善，能够达到高达1100-1300MPaW耐压强度。正是因为具有以上优势，因此选它作为应变式拉/压弹性元件材料。其泊松比为弹性模量为195x103MPa屈服弓虽度为620MPa3.相关理论分析计算及部件设计弹性元件的尺寸设计?0?2咱们预先设咱们选择等强度梁作为弹性元件，梁表面的应变成定梁的厚度h=mm长度l=4cm,材料为17-4PH不锈钢，其屈服强度为620MPa取平安系数为，那么其许用应力？?？=270?许用切应力为，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0700mm因此最大延伸量取L=12cm）即Fmax=30N由于梁在最大载荷下梁

12、的应力不得超过材料的许用应力？?，由公式能够进一步求得梁的宽度？?0,?0=黑?代入数据可得，？?0三1.2cm,取？?0=。等强?0?度梁的顶端截面积最小宽度应该由材料的许诺切应力T来决定。b三3?代2? 7入数据，可得，b三0.202mm）取b=mm查阅手册，咱们能够取得如表金属应受片薄膜应受片厚膜应变片应艾片厚度50300Hm15wm525wm电阻值250350Q6002000Q102106Q应父系数K24241020综合精度0.1%0.1%0.3%功耗（10VO3070mA10mA p m 656 m 1000 m?0?2?0=,弹性元件应变范围为因此，弹性元件应变范围合格。弹性元件所

13、经受的最大应力为:6?6?30?0.04? ?=-2-?2?0 0.0015?0.0015?0.025?=128MPa270MP a弹性元件经受的最大切应力为?-蒜=2?000Z?0015?=20MpaW.校验结果说明，所选用的弹性元件各方面符合设计要求。壳体及元件材料选择悬臂梁材料要求弹性好，稳固性好，咱们那个地址选择17-4PH弹簧钢做悬臂梁弹簧采纳70号弹簧钢制弹簧，取K=300N/m初始长度为12cmi极限延展长度为12cm测量头要求性能稳固，刚度和强度足够高，经济性好，咱们那个地址选用较为常见，价钱较为低廉的304不锈钢作为材料测量杆要求有较大刚度，幸免显现受力弯曲现象，因此咱们选用

14、Mn合金钢作为测量杆的材料。外壳要求轻巧，价钱廉价，不易侵蚀，易加工，因此咱们选择铝合金作为外壳材料。4.测量电路原理和设计直流稳压电源的设计由于咱们采纳了差动全桥的设计，需要4V直流稳压电源给全桥供电，因此咱 DC2们需要设计一个4V直流稳压电源。电路设计如图所示U3LM317HwigutADJRZVv-5000KI1073CI图直流稳压电源的设计图直流稳压电源设计思路：电网供电电压交流220V（有效值）50Hz,要取得低压直流输出，第一必需采纳电源变压器将电网电压降低取得所需要交流电压；降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度转变大；脉动大的直流电压须通过滤波电路变成滑腻，脉

15、动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份；滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，即可取得大体不受外界阻碍的稳固直流电压输出，供给负载交流电网220V的电压通过变压器降压以后，通过整流、滤波、稳压以后才能够送到负载，变压器副边电压为U2=V2U1sint其中U2为有效值。变压以后，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U2的正半周内，二极管D、D2导通，D3D4截止；U2的负半周内，D&D4导通，D、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。整流以后的电流中还含有较多的交流成份。通过滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成份，使电压波形变

16、得滑腻。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两头并联一个电容量较大的电解电容C,那么组成了电容滤波电路。滤波以后的电流仍是很不稳固的，直流电压Ui受电网电压的波动和负载电流转变的阻碍很难保证输出电流电压的稳固。因此必需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固。电路中能够采纳稳压管稳压电路，晶体管稳压电路。那个地址采纳集成稳压器稳压。由于设计要求持续可调，采纳三端可调式集成稳压器LM31%输出表达式为：R1UO=(1+)UrefR2其中，Uref是集成稳压器件的输出电压，为1.25V。改变R2的值，Uo的值即可改变。当R2短

17、路时，Uo最小，为Uref即1.25V;当R2大于零时，Uo都大于Uref,最大可达37V。由此，滤波后的电流通过稳压器后就能够够取得所需要的直流电供给负载2了。先定R2=500Q有公式可求得R1=107g。4.3差动全桥的设计已知力Fmax=30N时，电阻应变片max656，桥路电阻用阻值为700Q的可变电阻来模拟应变片阻值的转变，取电阻的50端P350Q模拟应变片的阻值RRk，R（-）maxKmax划2。RUoUiK6lFUiKboEhO那么电压值UiU0在数值上等于2。令电压灵敏度系数四1放大电路的设计图放大电路的设计图差动全桥电路设计如图设计为咱们设计的电路，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别离接Uii、Ui2（运算放大器的同相端）,当R1=R4时，取得零共模增益，现在，电路的差模放大倍数为Kd=1+R4,在那个地址，咱们想取R3得的闭环增益为10倍，因此咱们取Q,Q。设计结果知足设