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基于电阻应变片的压力传感器设计.doc

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基于电阻应变片的压力传感器设计.doc

11、课程设计目的和要求1.传感器原理课程设计是测控技术与仪器专业的必须完成的一个课程设计。是一个重要的教学环节,通过本设计,培养学生理论联系实际的设计思想,训练综合运用传感器设计和有关先修课程的理论,结合实际分析和解决工程实际问题的能力,巩固加深有关传感器设计方面的知识。2.通过制定设计方案,合理选择传感器结构和相关元件类型,正确计算、选择各零件和元件参数,确定尺寸和选择材料,以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求,达到了解和掌握传感器设计过程和方法。3.进行设计基本技能的训练。如计算、绘图、熟悉和运用设计资料(手册、图册、标准和规范等)以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。4.通过设计环节的实际训练,加深学生对该课程基础知识和基本理论的理解和掌握,培养学生综合运用所学知识的能力,使之在理论分析、设计、计算、制图、运用标准和规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练,促进学生养成严谨求实的科学态度。22、课程设计任务题目基于电阻应变片的压力传感器设计初始条件采用电阻应变片设计测量力、压力、加速度、位移等物理量的传感器,设计时自行确定被测变量及测试范围,并根据测量的需要选择应变片的型号、数量、粘贴方式以及弹性元件的结构形式、相关测试电路等。要求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)的设计和相关电路参数计算,并绘制传感器电路原理图;5.按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书(6000字左右);6.按机械制图标准绘制机械装配图(3号图纸)、弹性元件图(4号图纸)各一张。33、方案的选择此次传感器课程设计选用应变式拉压传感器。设计中只要把应半片贴在承受负载的弹性元件上,通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小,而弹性元件的应变大小可以通过应变片电阻大小的变化量来求得。故可以通过选择不同的弹性元件和测量电路来提出不同的方案。3.1方案的制定根据弹性体的结构形式的不同可分为轮辐式,梁式,环式,柱式等。在测量拉/压力上主要用到的是柱式传感器。柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种,如图2.1.1所示。(a是实心,b是空心)图3.1柱式传感器的弹性元件应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R,要把电阻的变化转换成电压或电流的变化,才能用电测仪表进行测量。常用的有两臂差动电桥和全桥电路,如图2.1.2所示。图3.2直流电桥电路3.2方案的确定实心圆柱可以承受较大的负荷,在弹性范围内,则应力与应变成正比关系。εSEFEll3-1式中F作用在弹性元件上的集中力;S圆柱的横截面积。圆柱的直径根据材料的允许应力来计算。4图3.1实心圆柱与空心圆柱由于F/S≤[σ]3-2而Sπd2/43-3式中d为实心圆柱直径。则直径d][4F3-4空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。同理4d22)(DS3-5式中D空心圆柱外径;d空心圆柱内径。根据式(3-2)和式(3-5)可知][422FdD3-6所以D2][4dF3-7弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响。由材料力学可知,高度对沿其横截面的变形有影响。当高度与直径的比值H/D〉〉1时,沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。试验研究的结果建议采用H2DL3-8式中L为应变片的基长。对于空心的圆柱为H≥D-dL3-9此外,因此,经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。电路转换部分一般电桥的输出电压为43213241ioRRRRRRRRUU3-10如图3.2,两臂差动电桥电路的电压输出为5432211322411ioRRRRRRRRRRRRUU)((3-11设初始时RRRRR4321,工作时一片受拉一片受压,即RRR21,则式(3-11)可以简化为22iioURRUU(3-12)差动电桥电压灵敏度为2iUU(3-13)同理若采用四臂电桥,如图3.2所示并设初始时RRRRR4321,工作时RRRRR2341时,输出为iioUURRU(3-14)四臂电桥的电压灵敏度为iUU(3-15)通过比较其电压灵敏度知四臂电桥(全桥)电路的灵敏度高,故选用四臂电桥电路。64、材料的选择4.1弹性元件弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。在传感器工作过程中,一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等,然后配合各种形式的转换元件,把非电量转换成电量。所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件。4.1.1弹性元件材料在设计传感器以前,首先应选择好弹性元件材料。对弹性元件材料提出以下要求1强度高,弹性极限高;2具有高的冲击韧性和疲劳极限;3弹性模量温度系数小而稳定;4热处理后应有均匀稳定的组织,且各向同性;5热膨胀系数小;6具有良好的机械加工和热处理性能;7具有高的抗氧化、抗腐蚀性能;8弹性滞后应尽量小。常用材料结构钢CrNiMo,30CrMnSiNi2A)、铝合金、钛合金。材料的弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数如下表所示材料名称弹性模量E(GPa)泊松比密度(kg/m3)热膨胀系数结构钢190-2100.27-0.30785012铝合金70-790.332600-280023钛合金100-1200.3345008.1-11表4.1常用材料弹性模量泊松比经过比较知结构钢的弹性模量最大,热膨胀系数最小,适合应用制作负重大的传感器,故本次课程设计选用结构钢30CrMnSiNi2A4.1.2弹性元件的参数计算7由4.1.知本次课程设计采用的是结构钢30CrMnSiNi2A,查表得E200Gpa,b1080MPa取0.3,2s9.8mg根据许用应力计算公式[σ]ssn,当安全系数sn取2得MPaMPanss54021080根据公式3-6得263max2218.18141054080.9101004mmFdDS又因为应变片的应变比小于1500ε,取ε01000ε当弹性体的应变比ε1小于ε0才不至于损坏应变片,由式(3-1)可得26930max20.49001010001020080.910100mmEFS当弹性体的截面积同时大于S1,S2时才能满足整体的设计要求。Smax[S1,S2]20.4900mm当传感器过载50时,根据公式SF可求的a300100.490015080.91010063SFa540][所以知超载50时,弹性元件受到的应力在许用应力范围内。弹性元件的外径D不能选择太小,否则会由于力的偏心造成很大的误差。在实际计算时先按照额定载荷F,根据材料的参数求得[]540MPa,取D10.0cm根据SD4d22)(可得cm13.610490041.04d6-22SD取d=6.0cm这样空心管的壁厚为8t=D0.221柱高的确定对于圆柱筒式传感器有LDd5cm为了防止弹性元件受压时出现失稳现象,柱高应该选得小些,但又必须使应变片能够反映截面应变的平均值,所以可取H6.0cm检验是否会出现局部失稳,根据薄壁管的失稳临界应力计算公式可得a26.30a3.0131061021100.21020013d21t22-2-92bmGDE)()()()(bm远大于[]540MPa,故在超过量程50的载荷作用下,不会出现局部失稳。4.2应变片的选择4.2.1电阻应变片类型的选择电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。由于电阻丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响,使灵敏度降低,而且耐疲劳性能不高。金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系,不常用。故选用金属箔式应变片。箔式应变片的主要优点1本身性能稳定,受温度变化的影响小,在-30350度范围内稳定工作;2散热条件较好;(3)在长时间测量时的蠕变较小,一致性较好;4适用于各种弹性体材料及弹性结构形式,粘贴操作简便;5价格便宜;a单轴的b测扭矩的c多轴的应变花图4.1各种金属箔式应变片4.2.2应变计的材料9电阻应变计简称应变计(亦称为电阻应变片或简称应变片)。它由四个部分组成。第一是电阻丝(敏感栅),它是应变计的转换元件。第二是基底和面胶(或覆盖层)。基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质,并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用,面胶起着保护电阻丝的作用。第三是粘合剂,它将电阻丝与基底粘贴在一起。第四是引出线,它作为联结测量导线之用。1材料的选用原则应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用,因此对制作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求a有较高的灵敏系数;b电阻率高;c电阻温度系数小,具有足够的热稳定性;d机械强度高,压碾或拉伸性能好,高温时耐氧化性能要好,耐腐蚀性能强;e与其它金属接触的热电势小;f与引出线焊接容易。2常用的应变计材料目前国内还没有一种金属材料能满足上述全部要求,因此在选用时,只能给予综合考虑,常用的有康铜、镍铬、卡玛合金、镍铬硅锰等合金。其各自性能分别如下表所示10表4.2常用的应变计材料有表可知电阻温度系数较小而且稳定,同时它的Ks对应变值的稳定性非常高,不但在变形的弹性范围Ks持为常数,在进入塑性范围后,亦基本保持为常数。所以本课程设计采用是材料为康铜的应变片。(3)基底、引线材料和粘合剂基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置,盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置,还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长,其宽度称为基底宽。基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜,厚度约0.03~0.05mm,本次设计采用胶基;引线材料是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线;黏合剂材料用于将敏感栅固定于基底上,并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时,也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂,聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温,常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。本次设计采用有机粘结剂。114.3应变计主要参数的确定箔式应变计的敏感栅是用厚度为0.002~0.005毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔,采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成。基底是在箔的另一面涂上树脂胶,经过加温聚合而成,基底的厚度一般为0.03~0.05mm。图4.2应变计的结构图4.3敏感栅的尺寸基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数型号敏感栅尺寸(宽长)mmmm材料阻值灵敏度K基底BH350-2AA3*5箔式350Ω2.0~2.2缩醛胶基表4.3应变片参数5、外壳尺寸确定实物图如下所示12图5.1柱式传感器实物图具体设计图参考附录中的图。6、测量电路的设计与计算136.1电桥电路的设计与计算依照课程设计中的方案选择知使用的电桥为全桥电路。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。通过图6.1所示应变片的粘贴、连接方法可以减小这种影响。图6.1应变片的粘贴和连接方法图中各应变片上的应变分别为t4411t3322式中t为温度引起的虚假应变。根据桥式电路输出为itio1]2121[144UUU)()()((6-1)电桥电压灵敏度为i1UU)((6-2)电路设计中,应变片的连接如右图所示,对应图6.1所示的应变片接法。所选用的是全桥形式的差动电桥,且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿,每个桥臂都安置两个应变片。位器为多圈电位器。6.2交流电压输出电路ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角,锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路.频率或重复频率的选定从0.001hz到300khz可以选用电阻器或电容器来调节,调频及扫14描可以由同一个外部电压完成.ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片,输出由温度和电源变化范围广而决定.这个芯片和锁相回路作用,具有在发生温度变化时产生低的图6.3交流电压输出电路频率漂移,最大不超过250ppm/℃特点1、具有在发生温度变化时产生低的频率漂移,最大不超过50ppm/℃;2、正弦波输出具有低于1%的失真度;3、三角波输出具有0.1%高线性度;4、具有0.001Hz~1MHz的频率输出范围;工作变化周期宽;5、2%~98%之间任意可调;高的电平输出范围;6、从TTL电平至28V;7、具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出;8易于使用,只需要很少的外部条件取RARB10KΩ,输出的波占空比为50。端口9输出的是方波,端口2输出的是正弦波6.3放大电路来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压(包括干扰电压)。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它,但是必须要求外接电阻完全平衡对称,运算放大器才具有理想特性。否则,放大器将有共模误差输出,其大小既与外接电阻对称精度有关,又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB,而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路,共模抑制比可达100~120dB。结合以上几点,采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。具体的电路如图6.3所示15图6.4三运放高共模抑制比放大电路它由三个集成运算放大器组成,其中N1,N2为两个性能一致(主要指输入阻抗,共模抑制比和增益)的同向输入通用集成运算放大器,构成平衡对称(或称同向并联型)差动放大输入级,N3构成双端输入单端输出的输出级,用来进一步抑制N1,N2的共模信号,并适应接地负载的需要。由输入级电路可写出流过Ro,R1,R2的电流R为oi1i27o1i18i2o1uuuuuuRRRR(6-2)由此求得i2o7i1o7o1uu1uRRRR)(,i1o8i2o8o2uu1uRRRR)((6-3)于是,输入级得输出电压,即运算放大器N2与N1输出之差为))((i1i2o87o1o2uuRRR1uu(6-4)其差模增益d为o87i1i2o1o2d1uuuuRRR(6-5)由上面公式可知,输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关,而其共模输出、失调及漂移均在Ro两端相互抵消,因此电路具有良好的共模抑制能力,又不16要求外部电阻匹配。但为了消除N1,N2片偏置电流等的影响,通常取R7R8.另外,这种电路还具有增益调节能力,调节R14可以改变增益而不影响电路的对称性。根据共模抑制比定义,可求得输入级的共模抑制比为CMRR12CMRR1CMRR2/︱CMRR1-CMRR2︱(6-6)式中的CMRR1、CMRR2分别为N1、N2的共模抑制比。当R9R10、R13R14时,运算放大器N3的差模增益为913d3RR整个电路的共模抑制比为CMRRKdCMRR3CMRR12/KdCMRR3CMRR12(6-7)式中CMRR3-运算放大器N3的共模抑制比为了获得高的共模抑制比,必须选取集成运算放大器N3具有高的共模抑制比,同时精选外接电阻,尽量使R10R11、R12R13精度应控制在0.1%内。而且通常将输入级的增益Kd设计得大些,输出级的增益Kd3设计得小些。这种电路由于N1,N2的隔离作用,输出级的外部电阻可以取得较小,有利于提高电阻的匹配精度,提高整个电路的共模抑制比CMRR≥120dB,共模输入电压范围为+6~-10V,总增益1~10000(Rp为几十至几百欧姆)。如果在N3的两输入端之间接入共模补偿电路,则可补偿电阻的不对称,获得更高的共模抑制比。改变Rp阻值可将共模增益调整到最佳点。所以,可以得到放大电路的总增益为913o87d3d11RRRRR)((6-8)176.4滤波电路由于测量过程中不可能做到理想化,故会产生一些杂波,同时电路还会受到噪声信号的干扰,因此,需要对检测到的信号进行滤波处理。本次课程设计中采用的滤波电路为压控电压源低通滤波电路。其参数如下1718fp1RR6-9211916CCRR6-10CRRRC19f191611111)(6-11图6.5压控电压源型低通滤波电路6.5数字显示电路数显电路主要器件由芯片MC14433和共阴极半导体数码管LED组成。图6.6数字显示电路MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片3位半A/D转换器,它适合构成带B码输出的3位半LED显示数字电压表,是目前应用较为普遍的一种低速A/D转换器。MC14433的性能特点(1)MC14433属于CMOS大规模集成电路,其转换准确度为0.05。内含时钟振荡器,仅需外接一只振荡电阻。能获得超量程(OR)、欠量程(UR)信号,便于实现自动转换量程。能增加读数保持(HOLD)功能。18(2)7、误差来源与精度分析7.1电阻应变片引起的误差用应变片测量时,由于环境温度所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级,从而产生很大的测量误差。造成应变片温度误差的原因主要有两个应变片的电阻丝敏感栅具有一定温度系数;电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。设环境引起的构件温度变化为Δt(℃)时,粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为α,则应变片产生的电阻相对变化为tt1RR(7-1)由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同,当Δt存在时,引起应变片的附加应变,相应的电阻相对变化为tsgt2RR7-2式中K为应变片灵敏系数;g为试件线膨胀系数;s为应变片敏感栅材料线膨胀系数。因此由于温度变化引起的总电阻相对变化为ttsgt2t1tRRRRRR(7-3)通常,在常温应变测量中采用桥路补偿法,如图6.1所示,这种方法简单,经济,补偿效果好。7.2电桥的非线性误差实际电桥电压与应变片的电阻相对变化为非线性关系,如式(7-4)所示,当电阻变化量很小至可以忽略不计,或则远小于1时,电桥电压与电阻相对变化可以认为是线性的。RRRRRRRRRRRRRRL2]1[2232(7-4)7.3电路的灵敏度电路灵敏度为应变片灵敏度,桥路灵敏度,三运放电路增益以及滤波电路增益之积,即PUA1s(7-5)由式(6-2),6-8,6-9,并取s2.0得i1718913o871110.2URRRRRRR)((7-6)198、相关元器件的确定相关电阻值的确定最大量测量时,有32.9751061041020080.91010042293maxmax)(ESF相应的输出电压为VUUUm43.30121032.97523.011]2121[1446itio)()()()(而输入到A/D端的电压为10V,因此有3281043.30103可放大电路为三运放高共模抑制比放大电路和压控电压源型低通滤波电路,取三运放高共模抑制比放大电路的放大倍数为160,滤波电路的放大倍数为2,由于根据本设计的技术要求与性能指标,可确定电桥放大电路各元件参数如下所示R7ΩR8ΩR9ΩR13ΩRoΩ100K100K20K40K2.50K表8.1电阻取值表由上表计算可得出1605.2100100120401o8791331KKKKKRRRRRKKAddRo为滑线变阻器,可取10K的阻值。滤波电路的放大倍数为2,即211718fpRR,可以使R17R1810K输入桥路电压的确定为了保证精度,在静态测量时,允许电流一般为25mA,空载时,有VRIU351025350443maxmax所以,电压可取12V20参考资料[1]传感器原理及其应用,李瑜芳主编.电子科技大学出版社,2008年[2]新编传感器技术手册,李科杰主编.国防工业出版社,2002年[3]传感器实用装置制作集锦,陈尔绍主编.人民邮电出版社,2000年[4]传感器工作原理及应用实例,黄继昌主编.人民邮电出版社,1998年[5]测控电路,张国雄主编,机械工业出版社.2005年[6]传感器实用装置制作集锦,陈尔绍主编.人民邮电出版社,2000年[7]传感器实际应用电路设计,黄贤武主编.电子科技大学出版社,1997年[8]传感器技术及其应用,杨帆吴晗平主编,化学工业出版社,2010年[9]机械课程设计简明手册,骆素君朱诗顺主编,化学工业出版社,2006年[10]工程力学(修订版),李卓球朱四荣主编,武汉理工大学出版,2008年

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