传感器转换电路仿真及应变转换电路设计.docx

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传感器转换电路仿真及应变转换电路设计

燕山大学

课程设计说明书

题目：

传感器转换电路仿真及应变转换电路设计

目录示例

目录

第1章摘要…………………………………………………………………………………5

第2章引言…………………………………………………………………………………5

第3章基本原理……………………………………………………………………………6

第4章传感器转换电路设计……………………………………………………………15

第5章误差分析…………………………………………………………………………18

第6章结论及心得体会…………………………………………………………………19

参考文献……………………………………………………………………………………19

第一章摘要

传感器是科学仪器、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术，是先进国家优先发展的重要基础性技术。

传感器与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱。

第二章引言

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

电阻应变片从诞生至今已有七十多年了，应变片的品种规格已达两万多种，各种应变式传感器也种类繁多。

应变片在大坝、桥梁、建筑、航天飞机、船舶结构、发电设备等工程结构的应力测量和健康监测中至今仍是应用最广泛和最有效的。

除直接测量工程结构的应力应变外，电阻应变片配合各种弹性元件可制造成测力、称重、检测压强、扭矩、位移和加速度等物理量的传感器，在工业自动化检测和控制、电子衡器等领域应用广泛。

应变式传感器也称应变片。

电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应，将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。

当金属丝在外力的作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻的电阻应变效应。

应变式传感器类型有：

金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。

特点：

1、可测量微应变1-2um，且精度高、性能稳定；2、尺寸小、重量轻、结构简单响应快；3、测量范围大；4、环境要求不高；5、便于多点测量。

第三章基本原理（传感器转换电路仿真调试及原理分析）

一、比例放大电路

根据运算放大器的“虚短”得

如上图令输入电压为5V，经过同相比例放大后，输出电压为10V，电压增益为2。

除了同相比例放大电路，还有反相比例放大电路、求差电路、求和电路。

二、差动放大电路

如图中把滑线变阻器

看作是差动的两臂（左右移动时，正好类似于传感器差动接法电阻变化量）的电阻，由其中间的引线引出接入输出端。

假设滑线变阻器引线在正好中间的位置，设此时引入相邻差动两臂的电阻均为

，当中间引线向右移动时，其左臂电阻变为

，右臂变为

，则此时电路的输出电压

设初始时，

那么上式便可化简为

若令

，当滑线变阻器中间引线向右移动2%

即电阻变化80，

。

三、二阶低通滤波器电路

二阶压控电压源低通滤波器的传递函数如下:

令

则有

上式为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。

其中ωn为特征角频率，而Q则称为等效品质因数。

二阶有源低通滤波幅频特性如下图

五、交流电桥电路

交流电桥的原理与直流电桥的基本原理是一样的，只是除考虑幅值的变化外还需考虑相位的变化，

则有

电路平衡条件为

即满足模积相等的同时还得满足相角和相等。

七、F-V电路

当输入信号频率发生变化时，振荡器的震荡频率就发生变化。

虽然可以直接将频率作为测量系统的输出量，用以测定非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易矫正，因此加入鉴频器，将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大器放大就可以输出显示。

第四章传感器转换电路设计

电路的第一部分为单臂电桥并且有滑线变阻器作为调零机构，在附加应变片时应变片的阻值可能并不是理想的阻值，这时就需要调零机构调节电桥阻值，使初始时电桥输出为零。

电桥部分已经在前面讨论过，这里不再详细论述。

电路的第二部分为一个求差电路，其实际上是一个反相比例放大电路与一个同相比例放大电路的叠加，此时电路的输出电压

（1）

当满足

时，

（1）可化简为

（2）

（3）

（2）与（3）联立，得

（4）

第五章误差分析

电路中的

、

及

，把结果带入第四章中的

（2）式得

，与理论分析

比较接近，但还是存在一定的误差，造成实验误差的原因可能是因为电路中的元器件并不是理想情况下的器件，同时由于单臂电桥中存在非线性误差，即由于

非线性误差为

非线性误差经过后面的放大电路放大会变得很大影响实验的最终结果。

第六章结论及心得体会

通过以上设计分析，应变片的转换电路设计基本完成。

经过两周的传感器课设，不光对传感器有了更深的知识了解，也学会了一些软件的使用，对传感器的设计应用有了初步的掌握。

仿真软件的练习、转换电路仿真调试分析、传感器转换电路的焊接，每一步每一天都有进步。

参考文献：

【1】康华光，电子技术基础模拟部分（第五版），高等教育出版社，2006

【2】赵燕，传感器原理及应用，北京大学出版社，2010.2

【3】邱关源，电路，高等教育出版社，2004.2

【4】唐文彦，传感器，机械工业出版社，2010.1