传感器与测试技术设计.docx

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传感器与测试技术设计

《传感器器具与测试技术课程设计》

题目基于电阻应变片的压力传感器设计

时间

班级

姓名

序号

指导教师

教研室主任

系教学主任

2011年12月11日

前言

随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。

传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。

在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。

传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。

其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。

因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。

但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。

随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

本次课程设计的是一个大量程称重传感器，测量范围为1t到100t。

本次课程设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。

应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。

传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。

由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。

除此之外，还要设计调零电路。

1、课程设计目的和要求-----------------------------------------------------1

2、课程设计任务-----------------------------------------------------------2

3、方案的选择-------------------------------------------------------------3

3.1方案的制定------------------------------------------------------------3

3.2方案的确定-----------------------------------------------------------4

4、材料的选择-------------------------------------------------------------6

4.1弹性元件-------------------------------------------------------------6

4.1.1弹性元件材料-----------------------------------------------------6

4.1.2弹性元件材料------------------------------------------------------7

4.2应变片的选择---------------------------------------------------------8

4.2.1电阻应变片类型的选择----------------------------------------------9

4.2.2应变计的材料------------------------------------------------------9

4.3应变计主要参数的确定-------------------------------------------------10

5、外壳尺寸确定-----------------------------------------------------------11

6、测量电路的设计与计算---------------------------------------------------12

6.1电桥电路的设计与计算-------------------------------------------------12

6.2交流电压输出电路-----------------------------------------------------13

6.3放大电路-------------------------------------------------------------13

6.4滤波电路-------------------------------------------------------------16

6.6数字显示电路---------------------------------------------------------16

7、误差来源与精度分析-----------------------------------------------------18

8、相关元器件的确定-------------------------------------------------------19

参考资料---------------------------------------------------------------20

心得体会---------------------------------------------------------------21

附录一常用芯片引脚图--------------------------------------------------22

附录二传感器电路处理总图----------------------------------------------25

附录三传感器外观设计图------------------------------------------------------------------------26

1、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。

2、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。

3、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。

ε=

（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。

图3.1实心圆柱与空心圆柱

由于F/S≤[σ]（3-2）

而S=πd2/4（3-3）

式中d为实心圆柱直径。

则直径d

（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

（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

（3-6）

所以D

（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

H>>2D+L（3-8）

式中L为应变片的基长。

对于空心的圆柱为

H≥D-d+L（3-9）

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

（3-10）

如图3.2，两臂差动电桥电路的电压输出为

…（3-11）

设初始时

工作时一片受拉一片受压，即

则式（3-11）可以简化为

（3-12）

差动电桥电压灵敏度为

（3-13）

同理若采用四臂电桥，如图3.2所示并设初始时

，工作时

时，输出为

（3-14）

四臂电桥的电压灵敏度为

（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。

4、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

190-210

0.27-0.30

7850

12

铝合金

70－79

0.33

2600-2800

23

钛合金

100-120

0.33

4500

8.1-11

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30CrMnSiNi2A

4.1.2弹性元件的参数计算

由4.1.知本次课程设计采用的是结构钢30CrMnSiNi2A，查表得E=200Gpa，

1080MPa

取

=0.3，

根据许用应力计算公式[σ]=

，当安全系数

取2得：

根据公式（3-6）得：

又因为应变片的应变比小于1500µε,取ε0=1000µε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

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。

=max[S1，S2]=

当传感器过载50%时，根据公式

可求的

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D=10.0cm

根据

可得

取d＝6.0cm

这样空心管的壁厚为：

t＝

柱高的确定

对于圆柱筒式传感器

有

5cm

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H=6.0cm

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：

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-30—+350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

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：

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。

4.3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）mm×mm

材料

阻值

灵敏度K

基底

BH350-2AA

3*5

箔式

350Ω

2.0～2.2

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

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

6.1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

式中：

为温度引起的虚假应变。

根据桥式电路输出为

（6-1）

电桥电压灵敏度为

（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。

此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV的不平衡输出，并且放大器有输入失调电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调整。

通过改变电位器图6.2全桥的电路设计

的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U0=0V，为了保证足够的调整精度，电

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RA=RB=10KΩ，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

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

为

（6-2）

由此求得

，

（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

（6-4）

其差模增益

为

（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R7=R8.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

CMRR12=CMRR1×CMRR2/︱CMRR1-CMRR2︱（6-6）

式中的CMRR1、CMRR2分别为N1、N2的共模抑制比。

当R9=R10、R13=R14时，运算放大器N3的差模增益为

整个电路的共模抑制比为

CMRR=（KdCMRR3×CMRR12）/（KdCMRR3+CMRR12）（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R10=R11、R12=R13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

（6-8）

6.4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