1、目錄1.緒論22.方案的選擇32.1方案的制定32.2方案的確定33.彈性元件53.1彈性元件材料選擇53.2彈性元件受力分析53.3彈性元件尺寸設計63.4強度校核74.應變片的選擇84.1應變片類型的選擇84.2阻值的選擇84.3材料的選擇84.4應變片的粘貼85.測量電路的設計105.1電橋電路105.1.1電橋選擇105.1.1電橋輸出105.2放大電路115.3檢波電路125.4低通濾波電路145.5直流放大電路156.ADC轉換模塊167.誤差分析178.總結17參考文獻17附錄118附錄219基于電阻應變片的壓力傳感器設計1.緒論本次課程設計的是一個基于電阻應變片的壓力傳感器，參

2、考實物為YPR-8傳感器，實物圖如圖1.1所示，主要技術指標如表一所示。本次設計選擇的指標如表2。電阻應變式壓力傳感器的工作原理是，把應變片貼在測量壓力的彈性元件上，當被測壓力發生變化時，彈性元件內部應力的變化使得應變片的阻值隨之改變，通過測量電阻來測得壓力。電阻應變式壓力傳感器主要是由彈性元件、應變片以及相應的測量電路組成。圖1.1 YPR-8實物圖表1 主要技術指標 表2 選擇的技術指標規格100MPa靈敏度1.25mV/V過載能力120%F.S激勵電壓10V2.方案的選擇2.1方案的制定在測量壓力上主要用到的是柱式傳感器。柱式傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種，如圖3.1.1所示圖2.1

3、.1 柱式傳感器的彈性元件應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。常用的有兩臂差動電橋和全橋電路，如圖2.1.2所示圖2.1.2 直流電橋電路2.2方案的確定柱式以實心或空心圓形或方形主體作為彈性元件，其特點是結構簡單、緊湊、易于加工，可設計成壓式或拉式，或拉壓兩用型，可承受最大載荷107N，用于大、中量程的傳感器，且對于空心圓柱型，靈敏度和抗橫向干擾可得到提高。本次的設計要求為測量范圍為0100MPa的壓力傳感器，所以取空心圓柱體作為彈性元件。電路轉換部分：一般電橋的輸出電壓為 （2-1）兩臂差動電橋電路的電壓輸出為 （2-2

4、）設初始時R1=R2=R3=R4=R,工作時一片受拉一片受壓，即R1=-R2=R，則式（2-2）可以簡化為 （2-3）差動電橋電壓靈敏度為KU=Ui2 （2-4）同理若采用四臂電橋，設初始時R1=R2=R3=R4=R，工作時R1=R4=R3=-R2=R時，輸出為 （2-5）四臂電橋的電壓靈敏度為KU=Ui （2-6）通過比較其電壓靈敏度知四臂電橋（全橋）電路的靈敏度高，故選用全橋電路。3.彈性元件3.1彈性元件材料選擇空心圓柱常取的的材料有結構鋼（30CrMnSiNi2A、CrNiMo）、鋁合金、鈦合金等。材料的彈性模量、泊松比、密度和熱膨脹系數如表2所示。表2 常用材料彈性模量泊松比通過比較

5、知結構鋼的彈性模量最大，熱膨脹系數最小，適合應用制作負重大的傳感器，故在本次課程設計中選取結構鋼30CrMnSiNi2A作為彈性元件的材料，材料的彈性模量E=200GPa，彈性極限b=1080MPa。3.2彈性元件受力分析軸向應力分析：如圖3.2.1所示。內壓產生的軸向合力與殼壁橫截面上的軸向總壓力相等，則 4D2p=Dt （3-1）可得：=pD4t圖3.2.1 軸向應力周向應力分析：如圖3.2.2所示 0pD2lsind=2tl （3-2）可得：=pD2t 圖3.2.2 周向應力3.3彈性元件尺寸設計 本次設計靈敏度設計為11.5mV/V，應變片布片方式如圖3.2.1所示R1R4為工作應變片

6、，R2R3為溫度補償片，電橋如圖3.2.2所示。取µ=0.5，g=9.8m/s2。電橋的輸出表達式為 （3-3） 即 （3-4）取應變片靈敏系數K=2，U0Ui =1.5mV/V，帶入上式得到應變最大值為1.0×10-3，所以取=1.0×10-3。圖3.2.1布片方式 圖橋路連接方式由理論力學知道筒性薄壁壓力容器c=pd2t （3-5）式中，p為被測壓力，d為筒內徑，t為筒壁厚又 =c/E可得 pd2Et （3-6）代入數據可求得dt4，且D-d=2t則Dd1.5彈性元件的外徑不可取太小，否則會由于力的偏心造成很大的誤差。所以取外徑D=15mm,則內徑d=10mm

7、，所以壁厚t=2.5mm。應變柱的有效工作長度為 （3-7）式中，lg為貼應變片所需長度。代入數據后可得lw=(21.324.3)mm，柱高的確定：對于圓柱筒式傳感器有HD-d+L，為了防止彈性元件受壓時出現失穩現象，柱高h應當選的小一些，所以可取h=30mm。3.4強度校核由于壁薄，還需要檢驗是否會出現局部失穩，薄壁管的失穩臨界應力為 （3-8）校核在過載120%情況下，bm=26.67GPa>b，所以在過載120%情況下不會出現局部失穩現象。4.應變片的選擇4.1電阻應變片類型的選擇電阻應變片主要分為電阻絲式應變片、金屬箔式應變片和金屬薄膜應變片。本次課設內容為設計筒式壓力傳感器，在

8、工作中受軸向壓應力。對于絲式應變片，絲繞式的彎曲部在軸向應力作用下的變形會使其橫向效應較大，短接式焊點多，易在焊點處出現疲勞損壞，不適用于動態應變測量，所以不選用絲式應變片，而選用箔式應變片。箔式應變片是由光刻或腐蝕技術制成的，敏感柵厚度為0.003mm0.01mm，其由許多優點，敏感柵與基片接觸面積大，散熱性能好，且易批量生產，電阻均勻，離散型小，可制成任意形狀以適應不同的要求。4.2阻值的選擇國家標準中電阻應變片的阻值規定為60、120、200、350、500、1000，電阻值越大的應變片，允許的工作電壓也越大，靈敏度高，但相應的應變片的尺寸也要增大。設計專用傳感器使用的應變片一般選用35

9、0，測量時為了提高靈敏度，常提高電橋的輸出電壓。4.3 材料的選擇應變片的敏感材料一般有康銅、卡瑪絲、半導體等。在本次設計中，傳感器工作環境為常溫，環境溫度波動不大，應變片靈敏系數K取2，所以敏感柵材料取康銅即可，康銅電阻溫度系數小，有良好的溫度穩定性，靈敏度系數均勻、恒定不變，適用于常溫和中溫場合。基底材料分為紙基和膠基兩大類，目前紙基已逐漸被性能更好的膠基取代，所以本次設計基底材料選用膠基，膠基是由環氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度為0.03mm0.05mm。對粘接劑材料的要求是有一定的粘接強度，能準確傳遞應變，對彈性元件和應變片不產生化學腐蝕作用，且有較寬的使用溫度范圍和良好的

10、耐疲勞性能。環氧樹脂類粘接劑為一款常用的粘接劑，內應力小，對膠接強度影響小，加之環氧固化物的蠕變小，所以膠層的尺寸穩定性好。疲勞強度高，耐腐蝕性能好，價格比較低，適于粘接膠膜與玻璃纖維布，使用溫度范圍廣，滿足本次設計的所需要求，因此粘接劑材料選用環氧樹脂類粘接劑。若應變片所粘貼的材料材質均勻，彈性模量高，可以選擇柵長小的應變片。若是彈性模量低的材料，由于在應變片的基片端部附近產生應力集中，所以應考慮對測試精度的影響。對于材料不均勻或強度不高的試件材料，如木材混凝土等，應取足夠大的柵長為好，以便能測出較長范圍內的平均應變值。因此對于本次設計，應變片規格選用BH350-3AA箔式應變片，其為環氧基

11、地，一般用于傳感器，標稱阻值為350，柵長×柵寬3.0x×3.0mm，基底尺寸為7.6×4.4mm。4.4 應變片的粘貼1應變片準備1）外觀檢查：檢查基底是否破損，敏感柵是否有銹斑，引線是否有折斷的危險，觀察敏感機是否排列整齊，是否有氣泡存在，如果上述條件不符合，則認為該片不合格。2）阻值測量：測量電阻值，剔出斷路、短路者，保證同一組應變片的阻值相差在±0.3歐范圍內。2粘貼表面準備為了使應變片粘貼牢固，需對被貼表面進行機械化學處理，處理范圍應為應該片面積的三倍。首先去油污、銹斑、氧化膜等，然后用細砂布相對貼片軸向交叉450打磨，直到表面粗糙度為3.2左

12、右。表面粗糙度過高或過低均影響應變片的粘貼牢固程度。經上述處理后，緊接著用浸有酒精或丙酮的砂布或棉球進行清洗，然后畫出貼片定位線，再將浸有溶劑的砂布或棉球按一個方向擦洗，直至砂布或棉球上不見污跡為止。擦過的表面要避免再次被污染，待溶劑揮發，表面干燥后，立即涂膠貼片。如不能及時粘貼，隔段時間后必須重新清洗。3貼片在清洗過的貼片處表面涂一層薄而均勻的粘接劑。然后迅速將應變片放在粘貼部位上，用捏子把應變片調整至貼片位置（然后將塑料薄膜蓋于應變片上，用手指柔合滾壓擠出多余膠水和應變片下之氣泡，使應變片完全貼和，直至應變片貼牢為止。待自然干燥一段時間后，由應變片無引線一端開始向有引線一端揭掉塑料薄膜方向

13、盡量與貼片表面平行，以免將片帶起，然后把引線輕輕拉起。至此貼片基本結束，然后對貼片的質量進行以下幾項檢查：1）基底或蓋層有無破壞，敏感柵有無變形。2）貼片有無引起斷路。3）粘結層中有否氣泡和局部沒有貼上的現象。4）對測力環表面是否短路，其絕緣強度是否達到要求。發現上述問題，如無法排除則必須刮掉后經清洗再重新貼片。5.測量電路的設計5.1電橋電路應變片把應變轉換為電阻的變化，為顯示或記錄應變的大小還要把電阻的變化轉換為電壓或電流的變化，通常采用電橋電路來實現微小阻值變化的轉換。顯而易見，電橋電路的作用就是把電阻片的電阻變化率R/R轉換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進行測量。當電橋輸出端接有

14、放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認為電橋的負載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓。5.1.2電橋選擇直流電橋優點是高穩定度的直流電源易于獲得，電橋調節平衡的電路簡單，缺點是容易受工頻干擾產生零點漂移，動態測量時往往采用交流電路，所以這里我采用交流電橋。為了消除非線性誤差和溫度誤差對測量結果的影響，我采用四臂差動電橋。為使交流電橋平衡，即滿足 Z1Z4=Z2Z3 (5-1)1+4=2+3 (5-2)常用的電容調零電路如圖5.1所示。圖5.1 電容調零電路頻率的選擇按照大于信號頻率十倍的原則。因為設計的傳感器為壓力傳感器，其波動較大，故選取頻率更高

15、一些較好。這里設計為5kHz。電橋輸出四臂電橋的輸出電壓為 Uo=UiR1R4-R2R3R1+R2R3+R4 （5-4）四臂差動電橋初始時R1=R2=R3=R4=R，工作時各橋臂應變片電阻變化為R1、R2、R3、R4，工作時滿足R1=R4=R，R2=R3=-R，已知設計量為：量程為100MPa, 材料彈性模量為200GPa,泊松比0.5，靈敏系數為2，具體計算過程如下： Uo=Ui4×R1R-R2R-R3R+R4R1+12(R1R+R2R+R3R+R4R) （5-5）將R1=R4=R，R2=R3=-R代入式（5-5）得 Uo=Ui2×1+RR+1- （5-6）又因為電阻應變

16、片靈敏度為 K=R/R=2 （5-7）應變為 =pd2Et （5-8） 代入數據計算可得，=1.0×10-3，UoUi=1.5mV/V,所以Uo=1.5×10-3Ui=15mV。5.2放大電路電橋電路輸出的電壓依然比較小，所以需要通過放大電路進行放大。因為來自傳感器的信號通常都伴隨著很大的共模電壓，一般采用差動輸入集成運放來抑制它。這里我選用三運放高共模抑制比放大電路。具體電路及參數如圖所示。計算過程如下:由輸入級可得集成運算放大器U1A的輸出Uo1和集成運算放大器U1B的輸出Uo2分別為：Uo1=(1+R1R0) Ui1R1R0 Ui2 （5-9）Uo2=(1+R2R0)

17、 Ui2R2R0 Ui1 （5-10）其差模增益為 Uo1-Uo2Ui1-Ui2 = (1+R1+R2R0) （5-11）而U1C的放大倍數為 12(R6R4+R6×R3+R5R3+R5R3) （5-12）則總的放大倍數為：Kd= 12(R6R4+R6×R3+R5R3+R5R3)(1+R1+R2R0) 工程上一般令R3=R4，R5=R6。取R1=R2=20k，R0=5k；R3=R4=4k，R5=R6=10k；仿真效果如圖所示。此處分配放大倍數為447。 圖5.2.1 放大電路圖 放大電路輸入輸出仿真波形5.3檢波電路相比包絡檢波電路，相敏檢波電路能檢測出信號的相位，且能抑制

18、零點殘余電壓。考慮到成本問題和簡易性問題，這里采用比較容易實現的開關式相敏檢波電路。電路參數圖如圖5.3.1所示，參數計算如下:在UC=1的半周期，Q2導通，Q1截止。反向輸入端通過R3接地，Ui從同向端輸入，放大倍數為 K+=R5R1+R4+R5(1+R6R3) （2-9）在UC=0的半周期，Q1導通，Q2截止。同向輸入端通過R1接地，Ui從反向端輸入，放大倍數為 K-=R6R1+R3 （2-10）考慮到提高輸入阻抗，取R1=R2=R3=R4=R5=R62=15k。則正半周期放大倍數為1倍，負半周期放大倍數為-1倍，則實現了Uo=|Ui|。仿真效果如圖所示電路圖如圖所示。圖5.3.1相敏檢波

19、電路 圖5.3.2 檢波電路仿真結果5.4低通濾波電路由于一階濾波器的濾波效果有限，此處采用巴特沃斯逼近的無限增益多路反饋型二階有源濾波器。此種逼近方式在保持幅頻特性單調變化的前提下，通帶內最為平坦；此種濾波器穩定性相對比較高，但是對集成芯片的要求也比較高，電路圖如圖5.4.1所示。最終計算的理論參數：C1=0.2F；C2=1F；R1= 7.7775k；R2=10.18 k；R3= 7.7775k；選取標稱值，取R1= 7.87k；R2=10.2 k；R3= 7.87k；仿真效果圖如圖所示，此處用運放做微弱信號放大，應選用失調和噪聲系數均很小的運放，如 ICL7650 圖5.4.1 低通濾波電

20、路圖5.4.2 仿真效果圖5.5直流放大電路經過上述變化，此時的信號已經為直流信號。此處選用改良的二級反相放大電路，即增加了輸入阻抗，又使得電路穩定。采用可調的電阻，方便調整。電路圖如圖5.5.1所示，計算過程如下：由深度負反饋可算得： Uo=R24R20(1+R22R23)Ui； （5-14）為了方便調整，這里采用R24為可調電阻。經過仿真的調試，最后仿真效果如圖所示。圖5.5.1 放大電路圖5.5.2 仿真結果6.ADC轉換模塊用一個模數轉換芯片將低通濾波后輸出的電壓值轉換為數字量并用液晶屏顯示出來。因為測量值為100MPa時輸入的供橋電壓為10V,要使在液晶屏上顯示的值直接為測量值即壓強

21、而不是最后輸出電壓，只需要擴大十倍。顯示電路仿真如圖6所示。 圖6 顯示電路仿真7.誤差分析 誤差來源主要有兩個方面，一個是電阻應變片引起的誤差，一個是電橋的非線性引起的誤差。電阻應變片引起的誤差主要是溫度誤差，造成應變片溫度誤差的原因有兩個，一是應變片的敏感柵具有一定的溫度系數，二是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數不同。沿筒長方向的R2、R3做溫度補償用。采用差動電橋電路時，由于應變片相同，那么它們引起的電阻的變化量相同，根據前面電橋電路的分析中的輸出表達式，則溫度變化引起的輸出為零，所以差動電橋可以消除溫度變化對輸出的影響，也即采用橋路補償法可解決溫度誤差。 由公式計算可知，只有當R/R&

22、lt;<1時，電橋輸出和輸入才近似為線性關系。對于對稱電橋n=1時非線性誤差約為R/(2R)。同樣，采用差動電橋可以減小或消除電橋的非線性誤差。還有一些如工頻等的干擾，主要通過優化電路來解決，比如采用高共模抑制比的儀用放大器、無限增益多路反饋二階低通濾波電路等。8.總結本次課程設計得到了很多鍛煉也收獲了許多之前沒有掌握的知識。很多東西都是一開始以為就是那樣，很簡單，整體思路很容易理清楚，但是真正著手每一個具體部分時才發現，原來有這么多的細節并且都不是很容易就能弄清楚，越查資料發現自己越不知道該怎么做了。從根據所需去查資料，再到把新舊知識融合理解運用到真正設計中，這真是一個很難也會很有收獲的過程。網上查資料發現很多資料都是英文尤其是各種芯片的具體介紹，頓覺自己英文水平太低，以后要多加學習，不然很多資料都看不了。通過課設才發現自己課上所學的以及考試所知道的東西真的有點膚淺。查了不少資料也翻了許多遍傳感器和測控電路的課本，有些終于弄懂了，有些仍然不