湖 南 科 技 大 學(xué)傳 感 器 課 程 設(shè) 計題目作者學(xué)院機電工程學(xué)院專業(yè)測控技術(shù)與儀器學(xué)號指導(dǎo)教師楊書儀 凌啟輝二一七 年 六 月 十 日湖南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計摘要應(yīng)變式傳感器應(yīng)用廣泛，很多地方都得以應(yīng)用，而本次課程設(shè)計的重點是設(shè)計一個應(yīng)變片柱式傳感器用來稱重。研究的重點是傳感器的基本原理，其中包括基本的理論分析、彈性元件的選材、彈性元件的尺寸設(shè)計、應(yīng)變的選材、應(yīng)變校驗等。課程設(shè)計的內(nèi)容包括：掌握和了解相關(guān)傳感器的基本測量方法和研究動態(tài)、制定傳感器測量方案、進行必要的理論計算分析、用CAD對傳感器結(jié)構(gòu)及零件進行設(shè)計、對轉(zhuǎn)換電路進行計算和設(shè)計等。關(guān)鍵詞：圓柱式、應(yīng)變片、稱重、形變- -目錄一、工作原理及特點1 1、工作原理1 2、測量特點1二、柱式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計2 1、彈性元件材料的選定及要求2 2、彈性元件材料的處理3 3、幾種應(yīng)變片的比較及選定3 4、應(yīng)變片材料的選定及要求4三、相關(guān)理論分析6 1、彈性敏感元件的特性參數(shù)計算6 2、應(yīng)變片參數(shù)的計算7 3、彈性元件變形與應(yīng)變片電阻值關(guān)系7四、電路的設(shè)計9參考文獻10 一、工作原理及特點一、 工作原理基本測量原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。也就是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)(金屬絲在受外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化)將測量物體變形轉(zhuǎn)換城電阻值的變化，再由轉(zhuǎn)換電路變成點亮的輸出。引起的電阻阻值變化R，伸長量l，電阻率變化量，橫截面積相應(yīng)減少量S；則有： （1-1）式中的l/l為電阻式的軸向應(yīng)變，用表示，徑向應(yīng)變?yōu)閞/r ，電阻絲的縱向伸長和橫向收縮關(guān)系用泊松比表示為r/r=-(L/L) （1-2）式（1-2）中，k0稱為金屬電阻的靈敏系數(shù)，k0受兩個因素影響：一個是（1+2），它由材料的幾何尺寸決定；另一個是/()，它表示材料的電阻率隨應(yīng)變而變化。對金屬材料而言，前者為主，其k01+2。實驗表明，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與橫向應(yīng)變成正比。通常金屬絲的靈敏系數(shù)k0 = 2左右。二、 測量特點以電阻應(yīng)變片和敏感元件組成。將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件在測量時其表面會出現(xiàn)變形，導(dǎo)致其表面附著的電阻應(yīng)變片的阻值隨之變化，與之相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換電路將這一非電量的變化轉(zhuǎn)化為電量輸出。該類型傳感器具有以下特點：精度高，測量范圍廣，適合靜態(tài)和動態(tài)測量；使用壽命長，性能可靠穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小。 二、柱式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計柱式傳感器的彈性元件分為實心和空心。應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力均勻的中間部分，并均勻?qū)ΨQ地粘貼多片。因為彈性元件的高度對傳感器的精度和動態(tài)特性有影響。根據(jù)材料力學(xué)分析和試驗研究的結(jié)果，對實心圓柱，一般H2D+l，而空心圓柱一般取HD-d+l，式中H為圓柱體高度，D為圓柱外徑，d為空心圓柱內(nèi)徑，l為應(yīng)變片基長。柱式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，可以測量大的拉壓力，最大可達107N。在測103 105N時，為了提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱式結(jié)構(gòu)。一、彈性元件材料的選定及要求彈性形變的定義：是指固體受外力作用而使各點間相對位置的改變，當(dāng)外力撤消后，固體又恢復(fù)原狀謂之彈性形變。這種物體稱為彈性元件或彈性體。彈性敏感元件在傳感器中占據(jù)很重要的地位。在傳感器工作過程中，一般是由彈性敏感元件將非電量轉(zhuǎn)換成彈性元件的形變，然后配合轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電量。所以說彈性元件在傳感器中應(yīng)用是十分廣泛的。為了適合本課程設(shè)計的要求，對彈性材料提出以下要求：具有高強度、高彈性特性;溫度變化系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小、時間穩(wěn)定性好;具有小的彈性滯后;組織均勻，熱處理后的殘存應(yīng)力小;沖擊韌性好，加工工藝性好;具有抗氧化性。參照新編傳感器手冊得下表：材料鈹青銅QBe17-4PH不銹鋼恒彈性合金3J53密度g/ cm38.257.808.0屈服極限MPa103018501250彈性模量MPa13410319510370103線膨脹系數(shù)at /10-6-117.610.87.5-8.1泊松比0.320.2720.30機械品質(zhì)因數(shù)1000彈性模量溫度系數(shù)3510-5/表1根據(jù)應(yīng)變式傳感器的使用特性和性能指標(biāo)，本次設(shè)計采用17-4PH不銹鋼作為彈性元件的制作材料。主要是因為該材料具有以下特點：合金是沉淀、淬水、馬氏體的不銹鋼，且具有高強度、硬度和抗腐蝕等特性經(jīng)過熱處理后，材料的特性將更加完善。二、彈性元件材料的處理為了提高彈性材料的強度和韌勁，要進行熱處理。對17-4PH不銹鋼進行H900熱工藝處理：1、預(yù)熱，加熱溫度：85010，保溫時間：355min。2、固溶，加熱溫度：10405，保溫時間：805min；真空度：130Pa；油冷，油溫：2570，油中停留時間：102min。3、清洗，將零件浸入80100的清洗槽中清洗2030min，出槽后浸入2040的漂洗槽中漂洗25min，出槽后晾干或吹干。4、時效，加熱溫度：4805，保溫時間：25010min，空冷到室溫。之后采用反復(fù)加載和機械振動的方法，可以釋放材料內(nèi)部的應(yīng)力三、幾種應(yīng)變片的比較及選定1、金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式應(yīng)變片它的敏感柵絲直徑在0.012 0.05mm，以0.025mm左右為最常用，回線的曲率半徑r為0.10.3mm，基片用厚度為0.03mm左右的薄紙（稱紙基），或用粘結(jié)劑和有機樹脂基膜制成（稱膠基），粘貼性能好，能保證有效的傳遞變形。引線多用0.150.30mm直徑的鍍錫銅線與敏感柵相接。因制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以最為常用。但因彎曲部分的變形使橫向效應(yīng)增大。為了克服橫向效應(yīng)，有短接式應(yīng)變片。其兩端用直徑比柵絲直徑粗5 10倍的鍍銀絲短接而成。由于焊點多，易在焊點處出現(xiàn)疲勞損壞，制造工藝要求高，故使用較少。絲式應(yīng)變片敏感柵的材料的要求是：靈敏系數(shù)高，電阻率高，穩(wěn)定好，溫度系數(shù)小，機械強度高，抗氧化，耐腐蝕。常用的材料有錳白銅（亦稱康銅），鎳鉻合金，鎳鉻鋁合金，鐵鎳鉻合金以及貴金屬（鉑、鉑鎢合金）等。2、金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為0.003 0.01mm電阻鉑材，利用照相制版或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。它的優(yōu)點是：可以制成多種復(fù)雜形狀尺寸準確的敏感柵，柵長l最小可做到0.2mm，以適應(yīng)不同的測量要求；與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，提高輸出靈敏度；橫向效應(yīng)可以忽略；蠕變、機械滯后下，疲勞壽命長。目前箔式應(yīng)變片得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在已基本取代金屬絲電阻應(yīng)變片。它的主要缺點是電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐姆，故需要做阻值調(diào)整。3、金屬薄膜應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，最后再加上保護層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。這種應(yīng)變片的特點是：電阻值比箔式應(yīng)變片高，形狀和尺寸箔式應(yīng)變片更小更精確；他沒有箔式應(yīng)變片腐蝕所引入疵??；制成的結(jié)構(gòu)散熱性好，對于較寬的溫度范圍也可以達到較完善的補償；特別是近年激光調(diào)阻技術(shù)的發(fā)展，提高了電阻值的精度，可達0.01。尤其突出的是：陶瓷絕緣代替了膠接，既避免了復(fù)雜的分選和粘貼技術(shù)，而且對膠接法所引入的漂移、蠕變、疲勞弱點都有很大的克服。4、半導(dǎo)體應(yīng)變片利用半導(dǎo)體材料做成的壓阻式傳感器有兩種類型：一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成的粘貼式應(yīng)變片；另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，稱擴散型壓阻傳感器。壓阻傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。因為半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此該類傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。對于金屬箔式應(yīng)變片，橫向效應(yīng)較小，因而提高了應(yīng)變測量的精度，故允許通過較大的電流，因而可以有較大的輸出，提高了測量靈敏度。綜合一些金屬箔式應(yīng)變片的優(yōu)點，和考慮到工藝技術(shù)的有限及性價比問題，該次設(shè)計采用金屬箔式應(yīng)變片。四、應(yīng)變片材料的選定及要求1、敏感柵材料制造應(yīng)變片時，對敏感材料的要求：靈敏系數(shù)Ks和電阻率要盡可能高而穩(wěn)定，電阻變化率R/R與機械應(yīng)變之間應(yīng)具有良好而寬廣的線性關(guān)系，即要求Ks在很大范圍內(nèi)為常數(shù)；電阻溫度系數(shù)小，電阻溫度之間的線性關(guān)系和重復(fù)性好；機械強度高，碾壓及焊接性能好，與其他金屬之間接觸熱電勢??；抗氧化、耐腐蝕性能強，無明顯機械滯后。制作應(yīng)變片敏感柵常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻和金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金）材料等，材料性能見下表：名稱牌號及成分/（mm2/m）/(10-6/)Kss/（10-6mm/）最高使用溫度/康銅Ni45Cu550.450.52201.92.115300（靜態(tài)）400（動態(tài)）鎳鉻合金Cr20Ni801.01.11101302.12.314450（靜態(tài)）800（動態(tài)）卡瑪6J22Ni74Cr20Fe3AB1.241.42202.42.613.3450（靜態(tài) ）800（動態(tài)）伊文6J23Ni75Cr20A13Cu21.241.42202.42.613.3450（靜態(tài) ）800（動態(tài)）鐵鉻鋁合金Fe70Cr25A151.31.519402.32.814550（靜態(tài)）1000（動態(tài)）貴金屬PtPt92W80.090.110.683900227463.58.98.39.2800（靜態(tài)）1000（動態(tài)）表2基于上述材料的性能比較分析，選用鎳鉻合金作為敏感柵材料。2、應(yīng)變片基底材料及引線材料對基底材料性能有如下要求：機械強度好，撓性好；粘貼性能好；電絕緣性能好；熱穩(wěn)定性能好和抗?jié)裥院?；無滯后和蠕變。應(yīng)變片基底材料有紙和聚合物兩大類，紙基逐漸被膠基（有機聚合物）取代，因為膠基各方面性能都好于紙基。膠基是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚約0.030.05mm。引線材料采用鎳鉻合金材料。三、相關(guān)理論分析計算一、彈性敏感元件的特性參數(shù)計算柱式彈性元件的特點是結(jié)構(gòu)簡單，可承受很大的載荷，根據(jù)截面形狀可分為實心截面和空心截面，而本次課程設(shè)計采用空心截面。在力的作用下，它以應(yīng)變作為輸出量。在承受軸向作用力F時，在與軸線成角的截面上所產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力為 （3-1） （3-2）因此在軸向（=0）所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?（3-3） （3-4）橫向（=90）所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)?（3-5） （3-6）有查表得知，彈性元件17-4PH不銹鋼的屈服極限s=1850MPa，若取安全系數(shù)n=3.7，可求彈性元件的許用應(yīng)力 彈性元件空心圓柱的截面面積空心圓柱的內(nèi)徑和外徑的確定?？紤]構(gòu)建的穩(wěn)定性以及加工的難易程度，還有對于金屬箔式應(yīng)變片在外徑上的粘貼情況，使貼片部分應(yīng)力均勻，空心圓柱長度L=（22.5）D ，現(xiàn)取內(nèi)徑d=20mm ；為保證圓柱加工的簡單，適當(dāng)調(diào)整D的大小，取D=25mm，取L=2D=50mm重新計算空心圓柱截面面積：綜上所述，最終選取17-4PH不銹鋼制成空心圓柱的內(nèi)徑d=20mm，外徑D=25mm，圓柱的高度L=50mm，截面面積A=177mm2。二、應(yīng)變片參數(shù)的計算應(yīng)變片內(nèi)敏感柵材料的直徑范圍為0.010.05mm，其基底很薄，一般在0.03mm左右，能保證有效傳遞變形。查閱一些資料，發(fā)現(xiàn)柵絲的的柵長在0.650mm之間，應(yīng)變片寬度在18mm之間。柵絲材料選擇鎳鉻合金，該材料的靈敏系數(shù)2.12.3?，F(xiàn)選取敏感柵截面積為0.001mm2，取柵絲長10mm，應(yīng)變片寬度取3.3mm，取靈敏系數(shù)為2.2。鎳鉻合金的的電阻率=（1.01.1）mm2/m ，取電阻率為1.0mm2/m。應(yīng)變片的電阻值已經(jīng)趨于標(biāo)準化，有60，120，350，600，和1000各種阻值，其中以120最常使用，所以該應(yīng)變片設(shè)計也采用120阻值。金屬絲電阻阻值的計算公式 （3-7）求出金屬絲的總長度 將這120mm的繞成12段，每一段10mm關(guān)于箔式應(yīng)變片最后的設(shè)計結(jié)果是：電阻值基長*基寬柵長*柵寬靈敏系數(shù)基底材料柵絲材料12014.2*4.1mm10*3.3mm2.2膠基鎳鉻合金應(yīng)變片的模板大致如下圖 ：圖1 應(yīng)變片圖三、彈性元件變形與應(yīng)變片電阻值關(guān)系在空心圓柱外圓壁上豎直對稱貼上4片應(yīng)變片，并在這4個應(yīng)變片下面橫向貼上一個應(yīng)變片。當(dāng)重物產(chǎn)生的重力作用在空心圓柱上時，空心圓柱發(fā)生彈性變形，空心圓柱的變形導(dǎo)致豎直粘貼在外壁上的應(yīng)變片也跟著發(fā)生同樣的變形，金屬絲變形導(dǎo)致電阻值變化，通過電橋電路從而轉(zhuǎn)換成電量的輸出，而橫向粘貼的應(yīng)變片并不發(fā)生應(yīng)變形變，只做溫度補償?shù)淖饔?。外力作用在空心圓柱引起的變形量圓柱彈性形變，一個應(yīng)變片12段柵絲產(chǎn)生的總變形為12，此時的柵絲總長度為120-12mm根據(jù)金屬絲變形前后的體積不變，可得 電阻值的變化（減小）R根據(jù)電橋電路，將阻值的變化轉(zhuǎn)換成電量輸出：圖2 電橋電路圖將R1與R3串聯(lián)，R2與R4串聯(lián)放在相應(yīng)的臂上，用來減少彎矩的影響，而橫向貼片只做溫度補償作用，用12V恒壓源對電橋進行供電。因為四個橋臂的電阻阻值都相等，又因為是差動式電橋，所以輸出電壓為：輸出電壓與重物重力的關(guān)系：四、電路的的設(shè)計采用三運放高共模抑制比放大電路：圖3 三運放高共模抑制比放大電路輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系：- （4-1）利用放大電路將輸入的電壓放大15倍?，F(xiàn)選取轉(zhuǎn)換電路中各電阻的阻值為：R1=R2=100K,R0=10K,R3=R4=140K,R5=R6=100K,R7=R8=10K,RP=20K。參考文獻【1】 最新傳感器實用手冊 ，楊幫文主編，人們郵電出版社，2004年【2】 新編傳感器實用寶典 ，楊幫文主編，機械工業(yè)出版社，2005年【3】 傳感器手冊 ，鮑丙豪編，化學(xué)工業(yè)出版社，2007年【4】 傳感器原理、設(shè)計與應(yīng)用 第5版，劉迎春編，國防工業(yè)出版社，2015年【5】 傳感器 第5版，唐文彥主編，機械工業(yè)出版社，2017年【6】 常用傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計與實踐 ，何希才主編，科學(xué)出版社，2007年【7】 測控電路 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