电阻应变式压力传感器课程设计说明书.doc

武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书

1绪论
1.1概述
传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。

1.2设计任务分析
采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量（压力）传感器，具体要求如下：
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；
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；
完成传感器的外观与装配设计；
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；
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）；
按机械制图标准绘制弹性元件图（4号图纸），机械装配图各一张（3号图纸）；
2方案设计
2.1原理简述
电阻应变式传感器为本课程设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。
本次课程设计所测质量范围是0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏检波电路，移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。
原理框图如图一所示。
数显表头
过零比较器
相敏检波
移相器
放大器
5KHZ交流
交流电桥
电阻应变片
（质量）压力

低通滤波

图一原理框图

2.2应变片检测原理
电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。
设一根电阻丝，电阻率为，长度为,截面积为S，在未受力时的电阻值为R=-----①
图二金属丝伸长后几何尺寸变化
如图二所示，电阻丝在拉力F作用下，长度增加，截面S减少，电阻率也相应变化，将引起电阻变化△R，其值为
=—＋----②
对于半径r为的电阻丝，截面面积S=，则有=。令电阻丝的轴向应变为，径向应变为－，由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得
=（1+2----③
通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为
=----④
从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数由两部分组成：受力后由材料的几何尺寸受力引起；由材料电阻率变化引起的。对于金属丝材料，项的值比小很多，可以忽略，故。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。
通常金属丝的=1.7～3.6。④可写成
=----⑤
2.3弹性元件的选择及设计
本次课设对质量的检测是通过对压力的检测实现的，所以弹性元件承受物重也即压力，这就要求弹性元件具有较好的韧性、强度及抗疲劳性，通过查设计手册，决定选取合金结构钢30CrMnSiNi2A，其抗拉应力是1700Mpa，屈服强度是1000Mpa，弹性模量是211Gpa。
同时本次课设选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如图三所示

图三等截面梁
作用力F与某一位置处的应变关系可按下式计算：
式中：——距自由端为处的应变值；
——梁的长度；
E——梁的材料弹性模量；
b——梁的宽度；
h——梁的厚度。
通过设计，选取=20mm,=14mm,b=10mm,h=3mm
现校核如下：
因此，选取是合理的。

2.4应变片的选择及设计
从理论学习中知道，箔式应变片具有敏感栅薄而宽，粘贴性能好，传递应变性能好；散热性好，敏感栅弯头横向效应可以忽略；蠕变，机械滞后小，疲劳寿命长等优点，所以非常适合本次课设的应用。选择4片箔式应变片（BX120-02AA）阻值为120Ω，其基底尺寸是（）。同时敏感珊的材料选择铂
因为其灵敏系数达， 且其最高工作温度可以达800多摄氏度，栅长做到0.5mm。
应变片粘贴在距自由端处，R1和R4粘贴在梁的上方承受正应变，R2和R3则与之对应粘贴在下方承受负应变。粘贴剂选择环氧树脂粘贴剂。
基底材料选择胶基，厚度为0.03mm-0.05mm。
引线材料采用直径为0.15-0.18mm的铬镍金属丝引线。
最后在安装后的应变片和引线上涂上中性凡士林油做防护作用，以保证应