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成績評定： 傳感器技術 課程設計 題 目 應變式測力儀 院 系 電子工程學院 專 業(yè) 姓 名 年 級 電 指導教師 蔡苗苗 2014年 11 月 摘要 電阻應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、結構簡單、使用方便、測量速度快等優(yōu)點，且能在惡劣的環(huán)境下工作，在力、壓力和重力要測試中有非常廣泛的應用。所以電阻應變式力傳感器制作的電子稱具有準確度高，易于制作，簡單實用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特點。 對于電阻應變片式測力傳感器（以下簡稱“測力傳感器”）來說，彈性體的結構外形與相關尺寸對測力傳感器性能的影響極大?？梢哉f，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的外形及相關尺寸。假如測力傳感器的彈性體設計不公道，無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應變片的品質多好，測力傳感器都難以達到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設計過程中，對彈性體進行公道的設計至關重要。 關鍵詞：電阻應變片 測力傳感器 精度 靈敏度 目 錄 一 、設計目的 4 二、設計任務與要求 4 2.1設計任務 4 2.2設計要求 4 三、設計步驟及原理分析 5 3.1設計方法 5 3.2設計步驟 6 3.3設計原理分析 7 四、課程設計小結與體會 9 五、參考文獻 9 一 、設計目的 1、掌握傳感器選擇的一般設計方法； 2、了解有關傳感器的基礎知識； 3、加深對電子電路知識方面知識的理解； 4、能夠熟悉傳感器的檢測以及應用電路； 5、培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力； 二、設計任務與要求 2.1設計任務 1、總體結構設計 2、精度設計 3、傳感器設計 4、設計轉換電路和調(diào)理電路；進行仿真實驗。繪制原理圖和PCB圖 2.2設計要求 1、應用應變片實現(xiàn)的測量； 2、該應變式傳感器具有溫度補償作用； 3、給出所選應變片的型號及彈性敏感元件的類型； 4、掌握測試結果數(shù)據(jù)處理方法、誤差分析方法以及精度評定方法。采用異步教學方法組織實踐教學，培養(yǎng)學生自主學習能力、動手能力與創(chuàng)新能力。 三、設計步驟及原理分析 3.1設計方法 3.1.1總體設計方案 圖1 基于電阻應變式測力傳感器的電子稱系統(tǒng)框圖 3.1.2等強度梁的結構設計 等強度梁的結構設計如下圖所示，是一種特殊形式的懸臂梁。其特點是：沿梁長度方向的截面按一定規(guī)律變化，當集中力作用在梁三角形頂點上時，距作用點任何距離截面上的應力相等，故在對方向上黏貼應變片位置要求不嚴。 圖2 等強度梁 3.2設計步驟 3.2.1測量電橋設計 為了消除非線性誤差和溫度誤差對測量結果的影響，設計的測量電阻應變式傳感器采用四臂差動式電橋測量電路。距固定端較近的表面順著梁的長度方向分別貼上、下四個電阻應變計。若承受拉力，則將受到壓力，兩者應變相等，但極性相反，如下圖所示。 圖3 差動電橋 3.2.2溫度誤差及其補償 （1）溫度補償：由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差。產(chǎn)生溫度誤差的主要因素有以下兩點。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）溫度補償方法： a.電橋補償法，也稱補償片發(fā)。 b.應變片的自補償法。 c.熱敏電阻補償法。 圖4 熱敏電阻補償 3.3設計原理分析 3.3.1應變式測力傳感器 應變式測力傳感器是由彈性體、應變片、膠粘劑、防護涂層、補償線路等部分組成的，其應變傳遞路徑是：彈性體→膠粘劑→應變片敏感柵→覆蓋層→防護涂層，構成一個有別于應變片本身的更復雜的系統(tǒng)。若把粘貼于彈性體上的應變片暫稱為應變片裝置（straingageinstallation），其典型結構如圖所示?！? 圖5 典型的應變片裝置的剖面圖 應變式測力傳感器的原理分析以CYL型應變式測力傳感器為例。 CYL型應變式測力傳感器是利用電阻應變原理構成，粘貼在傳感器彈性體上的高檔箔式應變片組成全橋電路。當受到載荷作用時，彈性體產(chǎn)生變形，應變片也相應感受應變，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。 為了減少溫度對傳感器性能的影響，在電橋線路中增加了溫度零漂補償電阻T，溫度靈敏度補償電阻E和平衡電阻D，下圖為CYL型應變式測力傳感器電路系統(tǒng)原理圖: 圖6 CYL型應變式測力傳感器電路系統(tǒng)原理圖 3.3.2原理分析 應變式測力儀由彈性元件、電阻應變片等組成的測力儀叫做應變式測力儀。其工作原理是把電阻應變片貼在彈性元件表面，當彈性元件受到力的作用產(chǎn)生變形時，電阻應變片隨之產(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為材料的應變系數(shù)；ε為應變片的應變值。 由上式可知，當K0為定值時，只要測得電阻應變片的的電阻變化△R/R，即可得知試件表面應變的大小，然后根據(jù)σ=Eε求得應變力的大小。在應變式測力儀中，經(jīng)常是將四個應變片成對的橫向或縱向粘貼在彈性元件上，這樣應變片就可以感受到彈性元件上的壓縮和拉伸變形，將四個應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變量的大小，從而根據(jù)應變量ε與外力的關系得出作用在彈性元件上的作用力大小。 3.3.3應變式測力儀的測量原理 敏感元件感受被測量的變化，在由于轉換元件轉換成易于測量的信號，由輸出電路輸出。 圖7 測力儀測量原理圖 3.3.4電阻式稱重測量圖 圖8 運算放大及V/F電路 四、課程設計小結與體會 4.4.1小結 本論文應用了應變片的工作原理設計了一種測量力的傳感器。在傳感器的設計過程中，遵照了改善應變力不規(guī)則分布的應力集中原則，對彈性元件進行了設計，能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果。在電路設計上本設計使用了全橋電路不僅提高可測力傳感器的靈敏度而且很好地解決了溫度補償?shù)膯栴}和傳感器的非線性問題。 本文只對傳感器的結構進行了初步的分析，有些問題還有待于進一步的分析。隨著科技的進步，傳感器的發(fā)展將是日新月異的、突飛猛進的。其發(fā)展也是將各個學科之間相互交叉、相互滲透和相輔成的。 4.4.2體會 為期一個星期的課程設計將結束，在這一星期的學習、設計、焊接過程中我感觸頗深，使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設計，我掌握了常用元件的識別和測試；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。 通過一周的努力，我們的課程設計即將結束，這意味著這一階段艱苦的熱烈的付出即將告一段落。在整個課程設計中，我在學習上和思想上都受益匪淺，這除了自身的努力外，與指導老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的，讓我獲得了許多的經(jīng)驗與知識。 參考文獻 [1]郁有文.常鍵.傳感器原理及工程應用.西安電子科學技術大學出版社.2007 [2]嚴普強.黃長藝.機械工程測試技術基礎.機械工業(yè)出版社.2000. [3] 王雪文.張志勇.傳感器原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.