1、武汉理工大学传感器原理与工程应用课程设计说明书1基于电阻应变片的 YLR-3F 压式负荷传感器设计一、设计任务分析采用电阻应变片设计一种电阻应变式压力传感器（0-3000kN） ，具体要求如下：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、直流放大电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；5. 按规范撰写一份课程设计说明书（5000 字左右） ，说明书最后附上
2、主要材料使用、元器件清单及价格，完成设计项目经费预算。6.设计完成后绘制弹性元件图与机械装配图各一张（附加于图纸）武汉理工大学传感器原理与工程应用课程设计说明书2二、传感器的结构设计2.1 原理简述电阻应变式传感器为本设计的主要部件，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。本设计所测质量范围是 0-300t，同时也将后续处理电路的电压处理为最大输出 3V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括双运放高共模抑
3、制比放大电路，线性全波检波电路，二阶无限增益多路反馈巴特沃斯低通滤波电路，直流放大电路，以及 AD 转换和相应的数字显示。2.2 应变片工作原理电阻应变片（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 lR= / S - l图一 金属丝伸长后几何尺寸变化如图一所示，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，l 将引起电阻变化R，其值为=
4、 -RlS武汉理工大学传感器原理与工程应用课程设计说明书3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2rsr2为 ，径向应变为 ， 由材料力学可知，为电阻丝材料的泊lr)(l松系数，经整理可得=（1+2 -R)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= - K)21(从可以明显看出，电阻丝灵敏系数 由两部分组成：受力后由材料的几何尺 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)21()(_1)(_小很多，可以忽略，故 。大量实验证明21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
5、3.6。可写成= -RK2.3 弹性元件的选择和设计通过查资料可知 40CrNiMo(常用调质钢)有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性，但有回火脆性。焊接性较差，焊前需经高温预热，焊后需消除应力，经调质后使用。一般制作强度高、塑性好的重要零部件，氮化处理后制作特殊性能要求的重要零件，如轴类、齿轮、紧固件等。由此可知 40CrNiMo 适用于本传感器的小量程的测量范围，且又有高的强度和韧性满足设计的传感器要求，所以我选择 40CrNiMo 作为本次设计的弹性元件材料。经查阅资料，40CrNiMo 的弹性模量为 E = 209Gpa，抗拉强度为 b =1100Mpa，屈服强度 s = 8
6、35Mpa，抗剪强度为 bs = 384Mpa，弹性极限 p=800Mpa，泊松比 u=0.29。2.4 应变片的选择和设计武汉理工大学传感器原理与工程应用课程设计说明书4应变片的结构形式很多，但其主要组成部分基本相同。其中较为典型的是丝式、箔式和半导体式。2.4.1 电阻应变片的结构选择从理论学习中知道，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。本次实验我使用的是 BH350-3HA 箔式应变片，阻值为 350，栅长栅宽为 5.02.3（mm mm） ，其基底尺寸是 9.410
7、.2（mm mm） ，该应变片环氧基底，适用于传感器应力分析。2.4.2 电阻敏感栅的材料选择敏感栅合金材料的选择对制造电阻应变计性能好坏起着决定性的作用，因此它的材料选择要求比较多，比如：敏感栅必须有较高的灵敏系数，并且在较大的应用范围内保持不变；有高的和稳定的电阻率；电阻温度系数小，电阻温度间的线性关系和重复性好，并有足够的热稳定性；电阻变化率 / R R 与机械应变具有良好而又宽广的线性关系等。在应变片选用时，只能给予综合考虑，常用的电阻合金大致有以下几种：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金属等。通过查阅资料以及对这几种材料的性能、成本对比，我选择康铜作为敏感栅材料，则敏感栅
8、的应变计灵敏系数 K=2，且其测量范围大。2.4.3 基底及引出线材料选择基底材料选择胶基，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，以保证应变片工作性能稳定可靠。2.5 设计思路以及校核2.5.1 电桥设计思路：本设计量程为：力F=3000kN，传感器灵敏度 K 一般为（13）mV/V，这里取 K=2mV/V，武汉理工大学传感器原理与工程应用课程设计说明书5以此为依据计算弹性元件的相关参数，再对弹性元件进行强度校核，直至满足灵敏度和使用强度要求。采用恒压源电桥电路，电路图如下所示：
9、粘贴方式：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。按上图所示进行应变片的粘贴、连接方法可以减小这种影响。图中各应变片上的应变分别为：t41 t32式中： 为温度引起的虚假应变。t2.5.2 弹性元件校核：根据桥式电路输出为：/2=（1-3）mV/Vio）1（ UU取应变片 K=2，计算得 =0.002/1.29=1.5* 103取 =2* 103弹性元件的直径和柱高的计算S=F/E=7.14* 1032d= =95.36mm4/为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高选择 h 应当选得小些，但又必须使h=2d=190.7m
10、m武汉理工大学传感器原理与工程应用课程设计说明书6最大正应力:=F/S= =420.168MPa0 时，D2 和 D4 导通，D1、D3 截止，uo=Vof；Vof0 时， D1、D3 导通，D2 和 D34 截止，取 R5=R7， Vo=- uo ，所以输出 uo 始终为 Vof 的绝对值，为减小偏置电流影响，取 R6=R5R7， R8=R9；由于检波电路不对信号进行放大，故只要保证阻值关系即可。这里的输入阻抗不能过大，经过软件仿真，若取 R5 为 20k，用示波器查看发现 Vof 为负的时候波形偏移失真较严重，故须减小输入端所加的电阻，为了避免电路设计所使用的电阻值种类过多，增加元器件的互换性和采购的方便性，故设计尽量使用阻值一样的电阻，而下述滤波器的设计需要严格满足阻值的精度和大小，故这里电阻阻值根据滤波器使用的电阻来设计。4.4 无限增益多路反馈型电路（巴特沃斯低通滤波器）
