题目二-应变式荷重传感器及转换电路设计

课程设计课程名称传感器设计与实践题目名称应变式荷重传感器及电路转换设计学生学院信息工程学院专业班级学号学生姓名指导教师20010年6月28日2广东工业大学课程设计任务书“传感器设计与实践”之二题目名称应变式荷重传感器及转换电路设计学生学院信息工程学院专业班级姓名学号一、课程设计的内容通过设计型实验，掌握传感器设计的一般过程与步骤。具体内容包括：了解荷重测量的一般方法；制定利用应变式传感器测量荷重的方案；利用工程力学和传感器知识进行必要的理论分析与计算；利用CAD软件进行荷重传感器的结构设计与零件设计；设计传感器转换电路，并进行电路调试或仿真。二、课程设计的要求与数据1、本实践环节，采用以教学辅导、学生自主设计、自主实验的教学形式。2、传感器技术参数：测力范围：1×103～1×105N；称量精度：±1%3、要求设计说明书字数不少于5000字。三、课程设计应完成的工作1、了解荷重测量的一般方法，制定利用应变式传感器测量重物的方案；2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸；3、应变式荷重传感器结构设计；绘制传感器装配图和部分零件图；4、传感器转换电路的设计和仿真调试；5、编制设计说明书。3四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容答疑地点起止日期1布置设计任务。学生查找相关资料教3-1126月21日2选定传感器型式和结构方案；进行相关理论分析与计算；确定传感器主要结构尺寸工学1#-1076月21~23日3传感器主要结构设计，装配图、零件图的设计工学1#-1076月25~26日4根据所设计的传感器结构，设计转换电路宿舍6月27日5传感器测量转换电路仿真调试宿舍6月28日6传感器制作工艺研究工学1#-1076月29日7撰写设计说明书宿舍6月30日8分组答辩工学1#-1077月1日五、应收集的资料及主要参考文献1、李科杰．新编传感器技术手册（M）．国防工业出版社，2002年2、强锡富．传感器（第3版）（M）．机械工业出版社，2001年3、丁镇生．传感器及传感技术应用（M）．电子工业出版社，1999年4、黄继昌．传感器工作原理及应用实例（M）．人民邮电出版社，1998年5、陈尔绍．传感器实用装置制作集锦（M）．人民邮电出版社，2000年6、黄贤武．传感器实际应用电路设计（M）．电子科技大学出版社，1997年发出任务书日期：2010年6月21日指导教师签名：（骆德汉、黎勉）（陈益民、查晓春）计划完成日期：2009年7月2日基层教学单位责任人签章：主管院长签章：4目录1.压力测量的一般方法的比较与选定.................61.1压阻式传感器.......................................................................71.2压电式传感器.......................................................................81.3电容式传感器.......................................................................91.4应变式传感器......................................................................101.5电感式压力传感器...................................................................122.方案制定......................................142.1轮辐式传感器......................................................................142.2梁式传感器........................................................................152.3环式传感器........................................................................162.4柱式传感器........................................................................173.弹性元件......................................203.1弹性元件的材料....................................................................203.1.1弹性元件的要求...................................................................203.2弹性元件的选择....................................................................213.2.1常见的弹性元件...................................................................213.2.2硬化不锈钢材料介绍................................................21_Toc2050281663.3弹性元件的分析和计算..............................................................223.3.1弹性元件的参数计算...............................................................223.3.2截面积的计算.....................................................................233.3.3柱高h及其他尺寸的确定...........................................................244.电阻应变片的选择..............................254.1电阻应变片类型的选择..............................................................254.2应变计的材料......................................................................254.2.1应变计敏感栅的材料...............................................................254.3应变计主要参数的确定..............................................................274.3.1几何尺寸........................................................................274.3.2金属箔式应变片...................................................................284.3.3基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数：.......................................285.外壳尺寸确定..................................296测量电路原理分析及设计........................306.1电阻应变式传感器测量电路的各组成电路：..............................错误!未定义书签。56.1.1电桥电路：........................................................错误!未定义书签。6.1.2调零电路：........................................................错误!未定义书签。6.1.3手动调幅可调电路:.................................................错误!未定义书签。6.2用MULTISIM实现的转换电路图：........................................错误!未定义书签。6.3参数选定：.........................................................错误!未定义书签。6.4关键点理论值与ＥＷＢ模拟值的计算...................................错误!未定义书签。6.5用MATLAB实现的F―V曲线对比.....................................................377.总结与致谢....................................388.主要参考文献..................................399.附录..........................................3961.压力测量的一般方法的比较与选定压力传感器应用广泛、影响面宽，不只可以测量力和压力，也可用于测量负荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它们都与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，其特点是成本低、不需要电源，但体积大、笨重、输出为非电量。普遍应用的有压阻式、压电式、电容式、电阻式、电感式等等。近几年又发展了微波传感器、超声波传感器、生物传感器、视觉传感器、光纤式传感器等传感器。以下分别介绍一般常用的传感器。放大输出型标定级饼型微型超小型罐筒型同轴嵌入型圆环柱型条型Z型S型汽车工业用表1.1荷重传感器主要类型71.1压阻式传感器固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。其中半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。压阻式传感器便是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。图1.1为两种微型压阻式传感器的膜片图1.1两种微型压阻式传感器的膜片图1.2压阻式传感器实物图81.2压电式传感器压电式传感器以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。按转换方式可以分为正压电效应和逆压电效应。当某些物质在外力作用下变形时，某些相应表面上就会产生异种电荷，去掉外力后又回到不带电状态。这种没有外电场只是形变产生的极化现象称正压电效应。在这些物质上施加电场时不仅产生极化同时还产生了应力或应变，去掉电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能变成机械能的现象称逆压电效应。压电式传感器的工作原理是以物质的压电效应为基础，它是一种发电式传感器。由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要功能，加上它的体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，固有频率高，灵敏度和信噪比高、动态特性好、耐高温等优点，因此，30多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，许