电阻应变式压力传感器课程设计说明书

燕山大学里仁学院《测控电路》课程设计说明书

摘要

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。

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目录

摘要……………………………………………………………………1 第一章 功能和意义………………………………………………2 第二章 传感器原理………………………………………………3 2.1 原理框图…………………………………………………3 2.2 应变片检测原理…………………………………………4 2.3 2.4

第三章 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 第四章第五章第六章第七章弹性元件的选择和设计…………………………………4 应变片的选择及设计……………………………………5 电路设计…………………………………………………6 电源设计…………………………………………………6 交流电桥设计……………………………………………7 放大电路设计……………………………………………8 相敏检波电路设计………………………………………9 滤波器设计………………………………………………10 结论………………………………………………………11 误差分析…………………………………………………11 参考文献…………………………………………………11 心得体会…………………………………………………12

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一. 功能和意义

信息技术已经成为当今全球性的战略技术，作为各种信息的感知，采集，转换，传输和处理功能器件传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测，自动控制系统中不可缺少的核心部件，传感器技术正深刻影响着国民经济和国防建设的各个领域。

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。

信号放大电路是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换处理或驱动指示器，记录器以及各种控制机构。

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，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。

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二.传感器原理

1.原理框图

（质量）压力

数显表头

电阻应变片 交流电桥

放大器

低通滤波

图一 原理框图

相敏检波

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l,截面积为S，在未受力时的电阻值为

R=?l ----- ①S

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l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

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?R?l?S??=—＋ ----② RlS?2对于半径r为的电阻丝，截面面积S=?r，则有?ss=2?rr。令电阻丝的轴向应变为???ll，径向应变为?rr?－?(?ll)????，?由材料力学可知，

为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得

???R?)??? ----③ R=（1+2

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

?RRK=

??(1?2?)????? ----④

从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何

_(1?2?)(???)?1。对于金属丝材尺寸的受力引起；由材料电阻率变化引起的

_(???)?1项的值比(1?2?)小很多，可以忽略，故K?1?2?。大量实验证料，

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

?R=K? ----⑤ R3.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：?=6Fl0 2Ebh 4

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式中： ? ——距自由端为l0处的应变值； l——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l=20mm, l0=14mm,b=10mm,h=3mm

6Fl06?100?14?10-3?= 2 = Mpa=93.3Mpa＜＜1000Mpa现校核如下： -3-6bh10?10?9?10因此，选取是合理的。

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2.4?2.4（mm?mm）。同时敏感珊的材料选择铂 因为其灵敏系数达Ks=4.6。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l0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，以保证应变片工作性能稳定可靠。

这样最大应变为：

6?100?14?10-3 ? = 6F l 0 = =4.4?10-4＜15?10-4（课设条件要求）29-3-6Ebh211?10?10?10?9?10

因此是符合的。且交流电桥的最大输出输入比为：

Uo?R ?Ks???4.4?10-4?4.6?2mVVUiR

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三.电路设计

1.电源的设计

交流稳压电路如图四所示，IGBT管与其周围的四只整流二极管构成双向开关由PWM脉冲进行斩控调压，LC为高次滤波器滤除高次谐波，补偿变压器与电网电压串联为负载提供稳定的交流电压。

2.电桥电路的设计

为了实现对应变片的温度补偿，因此选择全桥电路作为测量电路，将4片应变片接入电桥。桥路图如图四所示。其次，考虑到连线导线分布电容的影响及交流电桥的初始平衡性问题（无称重时电桥输出应为零），应在桥路中采取调零电路。桥路接法如图四所示，R5和C2即是实现调零用的，取C2=1uF，R5=1.8kΩ。

?R 电桥输出为Uo=UiKs?=Ui

R

3C21uF1R51.8kΩKey=A50%R1120ΩR3120ΩR4120ΩR2120Ω02Uout4 图四 交流电桥

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7 Vrms 5kHz U00° 燕山大学里仁学院《测控电路》课程设计说明书

3.放大电路的设计

由于传感器输出的电压比较小，因此需对其进行放大使之满足后续电路的处理要求。

鉴于传感器输出可能杂有共模电压，为此，选取具有高共模抑制比的放大器来达到净化信号电压和充分节约成本和制造的空间的目的。

电路图如图五所示。

U1R3R1OPAMP_3T_VIRTUAL331ΩL110μH50%Key=AOPAMP_3T_VIRTUALU2R2331ΩR6331ΩOPAMP_3T_VIRTUALR5331Ω331ΩR4331ΩU3

图五 放大电路

如图所示，采用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为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，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。 其差模增益为

Kd?Uo2?Uo1R1?R2?1?

Ui2?Ui1Ro当N1 N2性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益与差模输入电压有关，而其共模输出，失调及漂移均在Ro相互抵消，因此电路具有良好共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配，但为了消除N1 N2偏置电流等的影响，通常取R1=R2。另外这种电路具有增益调节能力，调节Ro可以改变增益而不影响电路的对称性。

其共模抑制比为

CMRR12?

CMRR1CMRR2

CMRR1?CMRR27

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4.相敏检波电路的设计

由于采用的交流电压不能实现对压力方向的判别，所以要利用相敏检波的鉴相特性达到这一目的。

电路图如图八所示。

R3331ΩC1R2331ΩR1331ΩU1R6331ΩOPAMP_3T_VIRTUALQ22N3687Q12N3687R4331ΩR5331ΩOPAMP_3T_VIRTUAL620nFU2

图八 精密整流型相敏检波电路

为了使检波电路具有判别信号相位和选频的能力，需采用相敏检波电路。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了需要解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。参考信号应与所需解调信号有相同的频率，采用载波信号或由它获得的信号作为参考信号就能满足这一条件。

在图八的精密整流型相敏检波电路中，接到N1的输出端的是两个由参考信号Uc控制的开关器件V1，V2。在Uc为正的半周期，V1截止，V2导通，N1用作反相放大器，Ua为Us的反相信号，在Uc为负的半周期，V1导通，V2截止，N1的输出Ua为零。这样，Ua的波形为一半波整流信号。取R1=R2，N2对Ua的放大倍数比对Us的放大倍数大一倍。在不接电容C情况下N2的输出Uo波形为全波整流信号。在Uc为正的半周期Ua为负，输出Uo为正的全波检波信号，在Uc与Us反相时，在Uc为正的半周期Ua为正，输出Uo为负的全波检波信号，实现相敏检波。

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5.低通滤波器的设计

由于经过相敏检波后的电压还混有高频载波信号，所以需将其滤掉，又因为相敏检波后输出的电压与原信号差一个负号，所以选择反相一阶有源低通滤波器，这样就可以得到真正反映原信号的直流输出。

低通滤波器截止频率设为40HZ。电路图如图九所示。

U4out

R113

50Ω

03VCC5VVCC4U4A1U5out（接表头显示）122LM324AD11VEE-5VVEEC14uF R10 1kΩ

图九 低通滤波电路

若取R10=1kΩ，则由

1=40HZ 可解得C1=4uF，另外取R9=50Ω，则此

2?R10C1R10=-20，则实现了放大倍数的另一级分配，也还原了R9环节实现的放大倍数是-原始信号的相位。

所以至此，就实现了原始信号的测量处理，即能够通过将质量为0-10kg（也即压力为0-100N）的物体作用于弹性元件（等截面梁）并通过应变片使其电阻发生变化进而使后续相关电路产生对应的0-10V的电压实现对物体的称重，也即1kg物体对应1V的电压。将低通滤波后产生的直流电压接入数显表头就可直观地看出物体质量的大小。

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四.结论

本次课程设计的压力传感器，通过交流稳压电源，电桥电路，三运放高共模抑制比放大电路，精密整流型相敏检波电路，低通滤波器，能将压力信号转换为电信号进行观测，实现对压力的测量。

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，低通滤波电路。

五.误差分析

误差的形成主要来源于温度误差，造成温度误差的原因主要有以下两个： 1.敏感栅电阻随温度变化引起误差

试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同，使应变丝产生附加拉长或压缩 2.引起电阻变化。

这样的温度误差可以通过桥路进行补偿，如本设计中的全桥电路就很好地实现了温度的补偿

其次，电桥还具有非线性误差，由于对金属丝电阻应变片，电桥非线性误 可以忽略，所以也不影响本次设计。

最后，对于如同工频等的干扰，我们尽量通过电路的优化除去干扰，如通过高共模抑制比仪放以及低通滤波器进行改进。

因此，从理论上说，本次课设中的误差还是比较好地得到了控制。

六.参考文献

测控电路第四版 张国雄 传感器第四版 唐文彦 新编传感器设计守册 赵宝贵 传感器技术及应用实例 张君华 传感器技术及应用 樊尚春

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心得体会

测控电路作为我们的主要专业课之一，在这次课程设计中我发现自己在一点一滴的努力中对电路设计的兴趣也在逐渐增加。

作为一名检测专业的大三学生，我觉得做测控电路课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。

我觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z2zw.html