傳感器與測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)

1、.專業(yè).專業(yè)廣播電視大學(xué)開放教育機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書題目：基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì)專業(yè)層次：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化級(jí)另g：本科學(xué)號(hào)：27姓名：王瑋分校（工作站）：廣播電視大學(xué)城北分校指導(dǎo)教師：2014年11月5日開放教育專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書編號(hào)：27試點(diǎn)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化辦學(xué)單位：廣播電視大學(xué)城北分校設(shè)計(jì)題目基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì)學(xué)生王瑋畢業(yè)設(shè)計(jì)容：1設(shè)計(jì)（論文）技術(shù)要求和主要容次課程設(shè)計(jì)的稱重傳感器就是利用應(yīng)變片阻值的變化量來(lái)確定彈性元件的微小應(yīng)變，從而利用力，受力面積及應(yīng)變之間的關(guān)系來(lái)確定力的大小，進(jìn)而求得產(chǎn)生作用力的物體的質(zhì)量。應(yīng)

2、變片阻值的變化可以通過(guò)后續(xù)的處理電路求得。2設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排2013.1.10-2013.2.5安排畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，了解電大設(shè)計(jì)要求和規(guī)定2013.2.62013.1.25初步確定總體方案以及總體思路，檢杳第一稿2013-2-262013-3-9進(jìn)一步完善總體方案，對(duì)相關(guān)容進(jìn)行初步計(jì)算2013-3-102013-3-31具體細(xì)節(jié)規(guī)劃設(shè)計(jì)與計(jì)算，檢杳第稿2013-4-1-2013-4-24在第三稿的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，檢杳第三稿2013.4.25-2013.5.5檢杳所有論文資料，檢杳最終稿指導(dǎo)教師簽字試點(diǎn)分校、教學(xué)班意見：教學(xué)班負(fù)責(zé)人簽字、試點(diǎn)分校蓋章.專業(yè).專業(yè).前言隨著科學(xué)技術(shù)的迅

3、猛發(fā)展，非物理量的測(cè)試與控制技術(shù)，已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航天、航空、交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械制造、石化、輕工、技術(shù)監(jiān)督與測(cè)試等技術(shù)領(lǐng)域，而且也正逐步引入人們的日常生活中去。傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)。在測(cè)試系統(tǒng)中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測(cè)出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置。其中電阻應(yīng)變式傳感器是被廣泛用于電子秤和各種新型機(jī)構(gòu)的測(cè)力裝置，其精度和圍度是根據(jù)需要來(lái)選定的。因此，應(yīng)根據(jù)測(cè)量對(duì)象的要求，恰當(dāng)?shù)剡x擇精度和圍度是至關(guān)重要

4、的。但無(wú)論何種條件、場(chǎng)合使用的傳感器，均要求其性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，經(jīng)久耐用。隨著技術(shù)的進(jìn)步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過(guò)程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計(jì)測(cè)以及吊車秤、汽車秤等計(jì)測(cè)控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動(dòng)檢測(cè)和粉粒體進(jìn)料量控制等，都應(yīng)用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運(yùn)用到了所有的稱重領(lǐng)域。本次課程設(shè)計(jì)的是一個(gè)大量程稱重傳感器，測(cè)量圍為1t到100t。本次課程設(shè)計(jì)的稱重傳感器就是利用應(yīng)變片阻值的變化量來(lái)確

5、定彈性元件的微小應(yīng)變，從而利用力，受力面積及應(yīng)變之間的關(guān)系來(lái)確定力的大小，進(jìn)而求得產(chǎn)生作用力的物體的質(zhì)量。應(yīng)變片阻值的變化可以通過(guò)后續(xù)的處理電路求得。傳感器的設(shè)計(jì)主要包括彈性元件的設(shè)計(jì)和處理電路的設(shè)計(jì)。由于傳感器輸出的信號(hào)是微弱信號(hào)，故需要對(duì)其進(jìn)行放大處理；由于傳感器輸出的信號(hào)里混有干擾信號(hào)，故需要對(duì)其進(jìn)行檢波濾波；由于傳感器輸出的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓），故需要設(shè)計(jì)共模抑制電路。除此之外，還要設(shè)計(jì)調(diào)零電路。目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1、課程設(shè)計(jì)目的和要求1 HYPERLINK l b

6、ookmark8 o Current Document 2、課程設(shè)計(jì)任務(wù)2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3、方案的選擇3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 方案的制定3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 方案的確定4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 4、材料的選擇6 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 彈性元件6彈性元件材料6彈性元件材料7

7、HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 應(yīng)變片的選擇8電阻應(yīng)變片類型的選擇9應(yīng)變計(jì)的材料9 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 4.3應(yīng)變計(jì)主要參數(shù)的確定10 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 5、外殼尺寸確定116、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算12 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 電橋電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算12 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 交流電壓輸出電路13

8、 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 放大電路13 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 濾波電路166.6數(shù)字顯示電路16 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 7、誤差來(lái)源與精度分析18 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 8、相關(guān)元器件的確定19參考資料心得體會(huì)附錄一常用芯片引腳圖附錄二傳感器電路處理總圖附錄三傳感器外觀設(shè)計(jì)圖-20212122231、課程設(shè)計(jì)目的和要求1傳感器原理課程設(shè)計(jì)是測(cè)控技術(shù)與儀

9、器專業(yè)的必須完成的一個(gè)課程設(shè)計(jì)。是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)本設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用傳感器設(shè)計(jì)和有關(guān)先修課程的理論，結(jié)合實(shí)際分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，鞏固加深有關(guān)傳感器設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。2通過(guò)制定設(shè)計(jì)方案，合理選擇傳感器結(jié)構(gòu)和相關(guān)元件類型，正確計(jì)算、選擇各零件和元件參數(shù)，確定尺寸和選擇材料，以及較全面地考慮制造工藝、使用和維護(hù)等要求，達(dá)到了解和掌握傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程和方法。進(jìn)行設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練。如：計(jì)算、繪圖、熟悉和運(yùn)用設(shè)計(jì)資料（手冊(cè)、圖冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)等）以及使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算和數(shù)據(jù)處理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的能力。通過(guò)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的實(shí)際訓(xùn)練，加深學(xué)生對(duì)該課程基礎(chǔ)知識(shí)和基本理

10、論的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，使之在理論分析、設(shè)計(jì)、計(jì)算、制圖、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)、查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)與資料以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力等方面得到初步訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。.專業(yè).專業(yè)2、課程設(shè)計(jì)任務(wù)題目:基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計(jì)初始條件：采用電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)測(cè)量力、壓力、加速度、位移等物理量的傳感器，設(shè)計(jì)時(shí)自行確定被測(cè)變量及測(cè)試圍，并根據(jù)測(cè)量的需要選擇應(yīng)變片的型號(hào)、數(shù)量、粘貼方式以及彈性元件的結(jié)構(gòu)形式、相關(guān)測(cè)試電路等。要求：1正確選取電阻應(yīng)變片的型號(hào)、數(shù)量、粘貼方式并連接成交流電橋；選取適當(dāng)形式的彈性元件，完成其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和受力分析，并根據(jù)測(cè)試極限圍進(jìn)行校核；完成傳感

11、器的外觀與裝配設(shè)計(jì)；完成應(yīng)變電橋輸出信號(hào)的后續(xù)電路（包括放大電路、相敏檢波電路、低通濾波電路）的設(shè)計(jì)和相關(guān)電路參數(shù)計(jì)算，并繪制傳感器電路原理圖；按學(xué)校課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書撰寫規(guī)提交一份課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（6000字左右）；按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制機(jī)械裝配圖（3號(hào)圖紙）、彈性元件圖（4號(hào)圖紙）各一。3、方案的選擇此次傳感器課程設(shè)計(jì)選用應(yīng)變式拉壓傳感器。設(shè)計(jì)中只要把應(yīng)半片貼在承受負(fù)載的彈性元件上，通過(guò)測(cè)量彈性元件的應(yīng)變大小即可求出對(duì)應(yīng)的負(fù)載大小，而彈性元件的應(yīng)變大小可以通過(guò)應(yīng)變片電阻大小的變化量來(lái)求得。故可以通過(guò)選擇不同的彈性元件和測(cè)量電路來(lái)提出不同的方案。3.1方案的制定圖3.1柱式傳感器的彈性元件4b全橋電路

12、根據(jù)彈性體的結(jié)構(gòu)形式的不同可分為：輪輻式，梁式，環(huán)式，柱式等。在測(cè)量拉/壓力上主要用到的是柱式傳感器。柱式傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種，如圖2.1.1所示。（a是實(shí)心，b是空心）應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化AR/R,要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。常用的有兩臂差動(dòng)電橋和全橋電路，如圖2.1.2所示。圖3.2直流電橋電路3.2方案的確定實(shí)心圓柱可以承受較大的負(fù)荷，在彈性圍，則應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。(3-1)AZbF乙=一=/ESE式中：F作用在彈性元件上的集中力;S圓柱的橫截面積。圓柱的直徑根據(jù)材料的允許應(yīng)力來(lái)計(jì)算。圖3.1實(shí)心圓柱與空心圓柱TOC o

13、 1-5 h z由于F/Swo(3-2)而S=nd2/4(3-3)式中d為實(shí)心圓柱直徑。則直徑d:上匚(3-4)樸Q空心圓柱彈性元件的直徑也要根據(jù)允許應(yīng)力計(jì)算。同理S(D2-d2)(3-5)4式中：D空心圓柱外徑；d空心圓柱徑。根據(jù)式(3-2)和式(3-5)可知兀F(D2-d2)(3-6)b所以D:竺+d2(3-7)Q彈性元件的高度對(duì)傳感器的精度和動(dòng)態(tài)特性都有影響。由材料力學(xué)可知，高度對(duì)沿其橫截面的變形有影響。當(dāng)高度與直徑的比值H/D1時(shí)，沿其中間斷面上的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)與其端面上作用的載荷性質(zhì)和接觸條件無(wú)關(guān)。試驗(yàn)研究的結(jié)果建議采用2D+L(3-8)式中L為應(yīng)變片的基長(zhǎng)。對(duì)于空心的圓柱為(3

14、-9)HAD-d+L此外，因此，經(jīng)比較分析選取空心圓柱作為彈性體。電路轉(zhuǎn)換部分一般電橋的輸出電壓為TOC o 1-5 h zRRRRsiU=U1423（3-10）oi（R+R）（R+R）1234如圖3.2，兩臂差動(dòng)電橋電路的電壓輸出為3-11)(R+AR)R-(R+AR)RU二U1+4224oi(R+AR+R+AR)(R+R)112234設(shè)初始時(shí)R二R二R二R二R，工作時(shí)一片受拉一片受壓，即AR=-AR=AR，則式123412U2（3-11）可以簡(jiǎn)化為3-12)差動(dòng)電橋電壓靈敏度為K=U（3-13）U2同理若采用四臂電橋，如圖3.2所示并設(shè)初始時(shí)R二R二R二R二R，工作時(shí)1234AR二AR二A

15、R二-AR二AR時(shí)，輸出為1432U=U=KsU（3-14）Rii四臂電橋的電壓靈敏度為K=U（3-15）Ui通過(guò)比較其電壓靈敏度知四臂電橋（全橋）電路的靈敏度高，故選用四臂電橋電路。4、材料的選擇彈性元件彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有極為重要的地位。在傳感器工作過(guò)程中，一般是由彈性敏感元件首先把各種形式的非電物理量變換成應(yīng)變量或位移量等，然后配合各種形式的轉(zhuǎn)換元件，把非電量轉(zhuǎn)換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應(yīng)用最廣泛的元件。彈性元件材料在設(shè)計(jì)傳感器以前，首先應(yīng)選擇好彈性元件材料。對(duì)彈性元件材料提出以下要求：強(qiáng)度高，彈性極限高；具有高的沖擊韌性和疲勞極限；彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定；熱處理后應(yīng)

16、有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；熱膨脹系數(shù)?。痪哂辛己玫臋C(jī)械加工和熱處理性能；具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；彈性滯后應(yīng)盡量小。常用材料：結(jié)構(gòu)鋼CrNiMo,30CrMnSiNi2A)、鋁合金、鈦合金。材料的彈性模量、泊松比、密度和熱膨脹系數(shù)如下表所示材料名稱彈性模量E(GPa)泊松比密度(kg/m3)熱膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)鋼190-2100.27-0.30785012鋁合金70-790.332600-280023鈦合金100-1200.3345008.1-11表4.1常用材料彈性模量泊松比經(jīng)過(guò)比較知結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量最大，熱膨脹系數(shù)最小，適合應(yīng)用制作負(fù)重大的傳感器故本次課程設(shè)計(jì)選用結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi

17、2A彈性元件的參數(shù)計(jì)算由4.1.知本次課程設(shè)計(jì)采用的是結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A，查表得E=200Gpa,b=1080MPab取卩=0.3,g-9.8ms2根據(jù)許用應(yīng)力計(jì)算公式O=Z，當(dāng)安全系數(shù)n取2得:nss-540MPa1080MPan2s根據(jù)公式(3-6)得：540 x106S-晉(D2-d2)-100 x103x9.80-1814.8mm2又因?yàn)閼?yīng)變片的應(yīng)變比小于1500以取訂1000以當(dāng)彈性體的應(yīng)變比.小于才不至于損壞應(yīng)變片，由式（3-1）可得Snmax2Es0100 x103x9.80二4900.0mm2當(dāng)彈性體的截面積同時(shí)大于S1，S2時(shí)才能滿足整體的設(shè)計(jì)要求。200 x10

18、9x1000 x10-6S=maxS1，S2=4900.0mm2當(dāng)傳感器過(guò)載50%時(shí)，根據(jù)公式&=F可求的S_300MPaF_100 x103x9.80 x150%S4900.0 x10-6&Dd+Lu5cm為了防止彈性元件受壓時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高應(yīng)該選得小些，但又必須使應(yīng)變片能夠反映截面應(yīng)變的平均值，所以可取H=6.0cm檢驗(yàn)是否會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)，根據(jù)薄壁管的失穩(wěn)臨界應(yīng)力計(jì)算公式可得Eta=bm1/-(D+d)3(l-卩2)2-00X109X-.0X10-2110+6)x10*3(10.3-)-Pa=30.26GPa遠(yuǎn)大于a=540MPa,故在超過(guò)量程50%的載荷作用下，不會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)。bm

19、應(yīng)變片的選擇4.2.1電阻應(yīng)變片類型的選擇電阻應(yīng)變片主要分為電阻絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。由于電阻絲式應(yīng)變片有橫向效應(yīng)對(duì)測(cè)量的精度有影響，使靈敏度降低，而且耐疲勞性能不高。金屬薄膜應(yīng)變片尚難控制電阻與溫度的變化關(guān)系，不常用。故選用金屬箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)：本身性能穩(wěn)定，受溫度變化的影響小，在-30+350度圍穩(wěn)定工作；散熱條件較好；在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好；適用于各種彈性體材料及彈性結(jié)構(gòu)形式，粘貼操作簡(jiǎn)便；價(jià)格便宜；(a)單軸的(b)測(cè)扭矩的(c)多軸的(應(yīng)變花)圖4.1各種金屬箔式應(yīng)變片4.2.2應(yīng)變計(jì)的材料電阻應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)稱應(yīng)變計(jì)（亦稱為電阻應(yīng)變片或簡(jiǎn)

20、稱應(yīng)變片）。它由四個(gè)部分組成。第一是電阻絲（敏感柵），它是應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換元件。第二是基底和面膠（或覆蓋層）?；资菍㈤L(zhǎng)肝氣彈性體表面的應(yīng)變傳遞到電阻絲柵上的中間介質(zhì)，并起到電阻絲與彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護(hù)電阻絲的作用。第三是粘合劑，它將電阻絲與基底粘貼在一起。第四是引出線，它作為聯(lián)結(jié)測(cè)量導(dǎo)線之用。（1）材料的選用原則應(yīng)變計(jì)敏感柵合金材料的選擇對(duì)制作應(yīng)變計(jì)性能的好壞起著決定性的作用，因此對(duì)制作應(yīng)變計(jì)所用的應(yīng)變電阻合金有以下的要求：a有較高的靈敏系數(shù)；b電阻率高；c電阻溫度系數(shù)小，具有足夠的熱穩(wěn)定性；d機(jī)械強(qiáng)度高，壓碾或拉伸性能好，高溫時(shí)耐氧化性能要好，耐腐蝕性能強(qiáng)；e與其它金屬接觸的熱電

21、勢(shì)?。籪與引出線焊接容易。（2）常用的應(yīng)變計(jì)材料目前國(guó)還沒有一種金屬材料能滿足上述全部要求，因此在選用時(shí)，只能給予綜合考慮，常用的有康銅、鎳鉻、卡瑪合金、鎳鉻硅錳等合金。其各自性能分別如下表所示：電阻率爐miif/tuj電阻潟度系象u1題脹系數(shù)p/ClOW農(nóng)高M(jìn)tSK.T0155M45(k俘g202.0150筒態(tài)風(fēng)態(tài)）N1S0301LG-1302.1-2.314450阿）肌。國(guó)1態(tài)皿網(wǎng)融1.2+-1.42202.4-2.613.3450阿）800國(guó)1態(tài)）忙文合金AL3Xu21.21.42202.4-2.G13.3450(態(tài)800國(guó)1態(tài))鐵錯(cuò)偌合金reMCr26Al5J1.3-1.5丄4402.

22、614瀕筒態(tài)態(tài)）Pt50.5-m5WS.5-9.50.74-C.76139-1923.O-3.29B00（靜態(tài)1000（動(dòng)態(tài)）Pt0,09-0.1139004.69HDD筒唸0looobS)柏輔書金?tS&.Tr20Q.351.013100。但態(tài)）表4.2常用的應(yīng)變計(jì)材料有表可知：電阻溫度系數(shù)較小而且穩(wěn)定，同時(shí)它的Ks對(duì)應(yīng)變值的穩(wěn)定性非常高，不但在變形的彈性圍Ks持為常數(shù)，在進(jìn)入塑性圍后，亦基本保持為常數(shù)。所以本課程設(shè)計(jì)采用是材料為康銅的應(yīng)變片。（3）基底、引線材料和粘合劑基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)

23、，其寬度稱為基底寬。基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.030.05mm，本次設(shè)計(jì)采用膠基；引線材料是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線；黏合劑材料用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑

24、用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。本次設(shè)計(jì)采用有機(jī)粘結(jié)劑。應(yīng)變計(jì)主要參數(shù)的確定箔式應(yīng)變計(jì)的敏感柵是用厚度為0.0020.005毫米的銅鎳合金或鎳鉻合金的金屬箔，采用刻圖、制版、光刻及腐蝕等工藝過(guò)程而制成?；资窃诓牧硪幻嫱可蠘渲z經(jīng)過(guò)加溫聚合而成，基底的厚度一般為0.030.05mm。圖4.2應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)圖4.3敏感柵的尺寸基于彈性體結(jié)構(gòu)和測(cè)量要求選用應(yīng)變片的參數(shù)：型號(hào)敏感柵尺寸（寬X長(zhǎng)）mmxmm材料阻值靈敏度K基底BH350-2AA3*5箔式350Q2.02.2縮醛膠基表4.3應(yīng)變片參數(shù)5、外殼尺寸確定實(shí)物圖如下所示圖5.1柱式傳感器實(shí)物圖具體設(shè)計(jì)圖參考附錄中的圖。6、測(cè)量電路的

25、設(shè)計(jì)與計(jì)算6.1電橋電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算依照課程設(shè)計(jì)中的方案選擇知使用的電橋?yàn)槿珮螂娐?。在?shí)際測(cè)量中，作用力不可能正好通過(guò)柱體的中心軸線，所以這樣的柱體彈性元件除了受n用.到拉（壓）夕卜，還受到橫向力和彎矩。a.應(yīng)變片的貼法b.應(yīng)變片的連接方法通過(guò)圖6.1所示應(yīng)變片的粘貼、連接方法可以減小這種影響。6.1應(yīng)變片的粘貼和連接方法圖中各應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為e=e二e二e二e+e1144te=e=e=e=pe+e2233t式中：&t為溫度引起的虛假應(yīng)變。根據(jù)橋式電路輸出為TTUK4(1+p)eU=io41+2(1p)e+2et(6-1)電橋電壓靈敏度為K=(1+卩)UUi(6-2)電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)變片的連

26、接如右圖所示，對(duì)應(yīng)圖6.1所示的應(yīng)變片接法。所選用的是全橋形式的差動(dòng)電橋，且為提高電橋靈敏度或進(jìn)行溫度補(bǔ)償，每個(gè)橋臂都安置兩個(gè)應(yīng)變片。位器為多圈電位器。.專業(yè).專業(yè).6.2交流電壓輸出電路ICL8038的波形發(fā)生器是一個(gè)用最少的外部元件就能生產(chǎn)高精度正弦,方形,三角,鋸齒波和脈沖波形徹底單片集成電路.頻率（或重復(fù)頻率）的選定從0.001hz到300khz可以選用電阻器或電容器來(lái)調(diào)節(jié),調(diào)頻及掃描可以由同一個(gè)外部電壓完成.ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢(shì)壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，輸出由溫度和電源變化圍廣而決定.這個(gè)芯片和鎖相回路作用，具有在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的圖6.3交

27、流電壓輸出電路頻率漂移，最大不超過(guò)250ppm/C特點(diǎn)：1、具有在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過(guò)50ppm/C;2、正弦波輸出具有低于1的失真度；3、三角波輸出具有01高線性度;4、具有0.001Hz1MHz的頻率輸出圍；工作變化周期寬；5、2%98%之間任意可調(diào)；高的電平輸出圍；6、從TTL電平至28V；7、具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號(hào)輸出；8易于使用，只需要很少的外部條件取RA二RB=10KQ，輸出的波占空比為50%。端口9輸出的是方波，端口2輸出的是正弦波放大電路來(lái)自傳感器的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓）。一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來(lái)抑制它，但是

28、必須要求外接電阻完全平衡對(duì)稱，運(yùn)算放大器才具有理想特性。否則，放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對(duì)稱精度有關(guān)，又與運(yùn)算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá)80dB，而采用由幾個(gè)集成運(yùn)算放大器組成的測(cè)量放大電路，共模抑制比可達(dá)100120dB。結(jié)合以上幾點(diǎn)，采用了低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成的三運(yùn)放高共模抑制比放大電路。具體的電路如圖6.3所示圖6.4三運(yùn)放高共模抑制比放大電路它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中N1,N2為兩個(gè)性能一致（主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益）的同向輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱（或稱同向并聯(lián)型）差動(dòng)放大輸入級(jí)，N3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)

29、，用來(lái)進(jìn)一步抑制N1,N2的共模信號(hào)，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。由輸入級(jí)電路可寫出流過(guò)Ro,R1,R2的電流i為R(6-2)(6-3)Tu一uu一uu一uTOC o 1-5 h zI=o1i=i1o1=i2HRRRR87o由此求得u=（1+乞）u一乞u,u=（1+8）u一竺uo1Ri1Ri2o2Ri2Ri1oooo于是，輸入級(jí)得輸出電壓，即運(yùn)算放大器N2與N1輸出之差為R+R、u-u=(1+78)(u-u)o2o1Ri2i1o其差模增益Kd為u-uR+RK二一o2o1二1+7-du-uRi2i1o6-4)6-5)由上面公式可知，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及

30、漂移均在Ro兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部電阻匹配。但為了消除N1,N2片偏置電流等的影響，通常取R7二R8.另外,這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)R14可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì)稱性。CMRR=CMRR121CMRR/2CMRR-CMRR1根據(jù)共模抑制比定義，可求得輸入級(jí)的共模抑制比為6-6)式中的CMRR、CMRR分別為N1、N2的共模抑制比。R13R912當(dāng)于R10、R13=R14時(shí)，運(yùn)算放大器N3的差模增益為Kd3整個(gè)電路的共模抑制比為CMRR=(KCMRRxd3CMRR)/(12KCMRR+d3CMRR)126-7)式中CMRR3-運(yùn)算放大器N3的共模抑

31、制比為了獲得高的共模抑制比，必須選取集成運(yùn)算放大器N3具有高的共模抑制比，同時(shí)精選外接電阻，盡量使管RR12=R!3精度應(yīng)控制在。而且通常將輸入級(jí)的增益Kd設(shè)計(jì)得大些，輸出級(jí)的增益Kd3設(shè)計(jì)得小些。這種電路由于N1,N2的隔離作用,輸出級(jí)的外部電阻可以取得較小，有利于提高電阻的匹配精度，提高整個(gè)電路的共模抑制比CMRR120dB，共模輸入電壓圍為+6-10V,總增益110000(Rp為幾十至幾百歐姆)。如果在N3的兩輸入端之間接入共模補(bǔ)償電路，則可補(bǔ)償電阻的不對(duì)稱，獲得更高的共模抑制比。改變Rp阻值可將共模增益調(diào)整到最佳點(diǎn)。所以，可以得到放大電路的總增益為RIRRTOC o 1-5 h zA=

32、KxK=(1+78)13(6-8)1dd3RRo964濾波電路由于測(cè)量過(guò)程中不可能做到理想化，故會(huì)產(chǎn)生一些雜波，同時(shí)電路還會(huì)受到噪聲信號(hào)的干擾，因此，需要對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本次課程設(shè)計(jì)中采用的濾波電路為壓控電壓源低通濾波電路。其參數(shù)如下：RTOC o 1-5 h zK二K二1+8(6-9)pfR17o=RRCC(6-10)、161912i111_K張二k(才+h)+(6-11)圖6.5壓控電壓源型低通濾波電路CRRRC1161919.專業(yè)業(yè)業(yè).專業(yè).65數(shù)字顯示電路數(shù)顯電路主要器件由芯片MC14433和共陰極半導(dǎo)體數(shù)碼管LED組成。圖6.6數(shù)字顯示電路MC14433是美國(guó)摩托羅拉公司

33、生產(chǎn)的單片3位半A/D轉(zhuǎn)換器，它適合構(gòu)成帶B碼輸出的3位半LED顯示數(shù)字電壓表，是目前應(yīng)用較為普遍的一種低速A/D轉(zhuǎn)換器。MC14433的性能特點(diǎn)：（1）MC14433屬于CMOS大規(guī)模集成電路，其轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度為土0.05%。含時(shí)鐘振蕩器，僅需外接一只振蕩電阻。能獲得超量程（OR）、欠量程（UR）信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。能增加讀數(shù)保持（HOLD）功能。（2）7、誤差來(lái)源與精度分析7.1電阻應(yīng)變片引起的誤差用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，由于環(huán)境溫度所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。造成應(yīng)變片溫度誤差的原因主要有兩個(gè)：應(yīng)變片的電阻絲（敏感柵）具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為心（C）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為a，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為TOC o 1-5 h z(竺)=At(7-1)Rt1由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)At存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為(AR)=K(卩一卩)At(7-2)Rt2gs式中：K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)；0為試件線膨脹系數(shù)；0為應(yīng)變片敏感柵材料線膨脹gs系數(shù)。因此由于溫度變化引起的總電阻相對(duì)變化為：(AR)=(AR)+(AR)=At+K(0-0)At(7-3)RtRt1Rt2gs通常，在常溫應(yīng)變