傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)(應(yīng)變式測(cè)力儀).doc

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成績(jī)?cè)u(píng)定： 傳感器技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 題 目 應(yīng)變式測(cè)力儀 院 系 電子工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 姓 名 年 級(jí) 電 指導(dǎo)教師 蔡苗苗 2014年 11 月 摘要 電阻應(yīng)變式傳感器具有靈敏度和精度高，性能穩(wěn)定、可靠、尺寸小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)，且能在惡劣的環(huán)境下工作，在力、壓力和重力要測(cè)試中有非常廣泛的應(yīng)用。所以電阻應(yīng)變式力傳感器制作的電子稱具有準(zhǔn)確度高，易于制作，簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點(diǎn)。 對(duì)于電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器（以下簡(jiǎn)稱“測(cè)力傳感器”）來(lái)說(shuō)，彈性體的結(jié)構(gòu)外形與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器性能的影響極大?？梢哉f(shuō)，測(cè)力傳感器的性能主要取決于其彈性體的外形及相關(guān)尺寸。假如測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不公道，無(wú)論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好，測(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高的測(cè)力性能。因此，在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)彈性體進(jìn)行公道的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變片 測(cè)力傳感器 精度 靈敏度 目 錄 一 、設(shè)計(jì)目的 4 二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 4 2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 4 2.2設(shè)計(jì)要求 4 三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析 5 3.1設(shè)計(jì)方法 5 3.2設(shè)計(jì)步驟 6 3.3設(shè)計(jì)原理分析 7 四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì) 9 五、參考文獻(xiàn) 9 一 、設(shè)計(jì)目的 1、掌握傳感器選擇的一般設(shè)計(jì)方法； 2、了解有關(guān)傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)； 3、加深對(duì)電子電路知識(shí)方面知識(shí)的理解； 4、能夠熟悉傳感器的檢測(cè)以及應(yīng)用電路； 5、培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐的能力； 二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 1、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2、精度設(shè)計(jì) 3、傳感器設(shè)計(jì) 4、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路和調(diào)理電路；進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。繪制原理圖和PCB圖 2.2設(shè)計(jì)要求 1、應(yīng)用應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)的測(cè)量； 2、該應(yīng)變式傳感器具有溫度補(bǔ)償作用； 3、給出所選應(yīng)變片的型號(hào)及彈性敏感元件的類(lèi)型； 4、掌握測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理方法、誤差分析方法以及精度評(píng)定方法。采用異步教學(xué)方法組織實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。 三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析 3.1設(shè)計(jì)方法 3.1.1總體設(shè)計(jì)方案 圖1 基于電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的電子稱系統(tǒng)框圖 3.1.2等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示，是一種特殊形式的懸臂梁。其特點(diǎn)是：沿梁長(zhǎng)度方向的截面按一定規(guī)律變化，當(dāng)集中力作用在梁三角形頂點(diǎn)上時(shí)，距作用點(diǎn)任何距離截面上的應(yīng)力相等，故在對(duì)方向上黏貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。 圖2 等強(qiáng)度梁 3.2設(shè)計(jì)步驟 3.2.1測(cè)量電橋設(shè)計(jì) 為了消除非線性誤差和溫度誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)的測(cè)量電阻應(yīng)變式傳感器采用四臂差動(dòng)式電橋測(cè)量電路。距固定端較近的表面順著梁的長(zhǎng)度方向分別貼上、下四個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)。若承受拉力，則將受到壓力，兩者應(yīng)變相等，但極性相反，如下圖所示。 圖3 差動(dòng)電橋 3.2.2溫度誤差及其補(bǔ)償 （1）溫度補(bǔ)償：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生溫度誤差的主要因素有以下兩點(diǎn)。a.電阻溫度系數(shù)的影響。b.試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。 （2）溫度補(bǔ)償方法： a.電橋補(bǔ)償法，也稱補(bǔ)償片發(fā)。 b.應(yīng)變片的自補(bǔ)償法。 c.熱敏電阻補(bǔ)償法。 圖4 熱敏電阻補(bǔ)償 3.3設(shè)計(jì)原理分析 3.3.1應(yīng)變式測(cè)力傳感器 應(yīng)變式測(cè)力傳感器是由彈性體、應(yīng)變片、膠粘劑、防護(hù)涂層、補(bǔ)償線路等部分組成的，其應(yīng)變傳遞路徑是：彈性體→膠粘劑→應(yīng)變片敏感柵→覆蓋層→防護(hù)涂層，構(gòu)成一個(gè)有別于應(yīng)變片本身的更復(fù)雜的系統(tǒng)。若把粘貼于彈性體上的應(yīng)變片暫稱為應(yīng)變片裝置（straingageinstallation），其典型結(jié)構(gòu)如圖所示?！? 圖5 典型的應(yīng)變片裝置的剖面圖 應(yīng)變式測(cè)力傳感器的原理分析以CYL型應(yīng)變式測(cè)力傳感器為例。 CYL型應(yīng)變式測(cè)力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成，粘貼在傳感器彈性體上的高檔箔式應(yīng)變片組成全橋電路。當(dāng)受到載荷作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生變形，應(yīng)變片也相應(yīng)感受應(yīng)變，從而使電橋失去平衡，并輸出與作用力大小成正比的電信號(hào)。 為了減少溫度對(duì)傳感器性能的影響，在電橋線路中增加了溫度零漂補(bǔ)償電阻T，溫度靈敏度補(bǔ)償電阻E和平衡電阻D，下圖為CYL型應(yīng)變式測(cè)力傳感器電路系統(tǒng)原理圖: 圖6 CYL型應(yīng)變式測(cè)力傳感器電路系統(tǒng)原理圖 3.3.2原理分析 應(yīng)變式測(cè)力儀由彈性元件、電阻應(yīng)變片等組成的測(cè)力儀叫做應(yīng)變式測(cè)力儀。其工作原理是把電阻應(yīng)變片貼在彈性元件表面，當(dāng)彈性元件受到力的作用產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片隨之產(chǎn)生變形，從而引起其電阻阻值的變化，可用下式表示，即： 式中，K0為材料的應(yīng)變系數(shù)；ε為應(yīng)變片的應(yīng)變值。 由上式可知，當(dāng)K0為定值時(shí)，只要測(cè)得電阻應(yīng)變片的的電阻變化△R/R，即可得知試件表面應(yīng)變的大小，然后根據(jù)σ=Eε求得應(yīng)變力的大小。在應(yīng)變式測(cè)力儀中，經(jīng)常是將四個(gè)應(yīng)變片成對(duì)的橫向或縱向粘貼在彈性元件上，這樣應(yīng)變片就可以感受到彈性元件上的壓縮和拉伸變形，將四個(gè)應(yīng)變片接成某種形式的電橋電路，這樣就可以從電橋的輸出中得到應(yīng)變量的大小，從而根據(jù)應(yīng)變量ε與外力的關(guān)系得出作用在彈性元件上的作用力大小。 3.3.3應(yīng)變式測(cè)力儀的測(cè)量原理 敏感元件感受被測(cè)量的變化，在由于轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的信號(hào)，由輸出電路輸出。 圖7 測(cè)力儀測(cè)量原理圖 3.3.4電阻式稱重測(cè)量圖 圖8 運(yùn)算放大及V/F電路 四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì) 4.4.1小結(jié) 本論文應(yīng)用了應(yīng)變片的工作原理設(shè)計(jì)了一種測(cè)量力的傳感器。在傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵照了改善應(yīng)變力不規(guī)則分布的應(yīng)力集中原則，對(duì)彈性元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，能夠收到提高測(cè)力傳感器的測(cè)力精度和測(cè)力靈敏度的良好效果。在電路設(shè)計(jì)上本設(shè)計(jì)使用了全橋電路不僅提高可測(cè)力傳感器的靈敏度而且很好地解決了溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題和傳感器的非線性問(wèn)題。 本文只對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的分析，有些問(wèn)題還有待于進(jìn)一步的分析。隨著科技的進(jìn)步，傳感器的發(fā)展將是日新月異的、突飛猛進(jìn)的。其發(fā)展也是將各個(gè)學(xué)科之間相互交叉、相互滲透和相輔成的。 4.4.2體會(huì) 為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)將結(jié)束，在這一星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、焊接過(guò)程中我感觸頗深，使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了常用儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法以及如何提高電路性能等等。 通過(guò)一周的努力，我們的課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束，這意味著這一階段艱苦的熱烈的付出即將告一段落。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益匪淺，這除了自身的努力外，與指導(dǎo)老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開(kāi)的，讓我獲得了許多的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)。 參考文獻(xiàn) [1]郁有文.常鍵.傳感器原理及工程應(yīng)用.西安電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2007 [2]嚴(yán)普強(qiáng).黃長(zhǎng)藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社.2000. [3] 王雪文.張志勇.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.