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电阻应变式压力传感器设计

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. .. . .. .. . v .. 传感器与检测技术 电阻应变式压力传感器的设计

学院：信息技术学院 指导老师：蔡杰 班级：B1106 ：张佳林 学号：0915110629 . .. . .. ..

. v .. 目录 一、设计任务分析 ............................................................ 3 二、方案设计 ................................................................... 3 2.1原理简述 .................................................................... 3 2.2应变片检测原理 ......................................................... 4 2.3弹性元件的选择及设计 ............................................... 5 2.4应变片的选择及设计 .................................................. 6 三、单元电路的设计 ........................................................ 7 3.1电桥电路的设计 .......................................................... 7 3.2放大电路的设计 ......................................................... 8 3.3移相器的设计 ............................................................. 9 3.4过零比较器的设计 ..................................................... 11 3.5相敏检波电路的设计 ................................................. 11 3.6低通滤波器的设计 ..................................................... 12 四、误差分析 .................................................................. 13 五、心得体会 .................................................................. 14 六、致谢 ......................................................................... 14 . .. . .. ..

. v .. 电阻应变式压力传感器的设计

一、设计任务分析 采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量（压力）传感器，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， 3. 并根据测试极限范围进行校核； 4. 完成传感器的外观与装配设计； 5. 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）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；

二、方案设计 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0-10kg，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，移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。 原理框图如图一所示。

（质量）压力 电阻应变片 交流电桥 5KHZ交流

放大器 移相器 过零比较器 相敏检波 数显表头 . .. . .. ..

. v .. 2.2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=Sl ----- ①

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

RR=ll—SS＋ ----②

对于半径r为的电阻丝，截面面积S=2r

，则有ss=rr2。令电阻丝的

低通滤波 . .. . .. .. . v .. 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

RR=（1+2



) ----③

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(RR ----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尺 受力引起)21(；由材料电阻率变化引起的1)(_。对于金属丝材料，

1)(_项的值比)21(小很多，可以忽略，故21K。大量实验证明

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

RR=K ----⑤

2.3弹性元件的选择及设计 本次设计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。 同时本次设计选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如图二所示 . .. . .. ..

. v .. 图二 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：02

6F=Ebhl

式中：  ——距自由端为0l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, 0l=14mm,b=10mm,h=3mm 现校核如下： 因此，选取是合理的。

2.4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，所以非常适合本次设计的应用。选择4片箔式应变片（BX120-02AA）阻值为120Ω，其基底尺寸是2.42.4（mmmm）。同时敏感珊的材料选择铂 因为其灵敏系数达sK=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0l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：

-30

2-3-6

6F61001410= = Mpa=93.3Mpa1000Mpabh1010910l

＜＜. .. . .. ..

. v .. 因此是符合的。且交流电桥的最大输出输入比为： 三、单元电路的设计 3.1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。桥路图如图三所示。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。桥路接法如图三所示，R5和C2即是实现调零用的，取C2=1uF，R5=1.8kΩ。电桥输出为oisiRU=UK=UR 交流电源频率选择为5KHZ,现使桥路最大输出为10mV，则电压幅值为：

R1120ΩR2120ΩR4120ΩR3120Ω

R51.8kΩKey=A50%C21uFU07 Vrms 5kHz 0° 13

0

24

27V2oiUUmVVoutU

-30-4-4

29-3-6

6F61001410= = =4.4101510Ebh211101010910l＜（课设条件要求）

-4s

2K4.4104.6oiURmV

VUR



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电阻应变片式传感器测量桥梁应力

电阻应变片式传感器测量桥梁应力

测量桥梁应力传感器目录摘要 (2)设计思路 (2)步骤 (2)一、传感器设计及选择 (3)1、应变式传感器 (3)二、电阻应变片的选择 (3)1、电阻应变片类型的选择 (3)2、应变计敏感栅的材料 (5)3、几何尺寸 (6)三、测量电路原理分析及设计 (7)1、温度补偿原理 (7)四、测量电路原理分析及设计 (9)1、电桥电路原理 (9)2、非线性误差 (10)3、转换电路和信号放大电路 (10)4、电桥转换电路 (11)5、放大电路和共模补偿电路 (11)6、电路调零调幅电路 (13)7、电桥放大电路各元件参数及其输出电压计算 (14)五、总结与心得 (15)六、参考文献.....................错误！未定义书签。

摘要：目前，多数桥梁都属于柱形桥，随着时间的推移，桥身桥体会逐渐出现承载过重导致应力不集中甚至出现裂纹等破损，为了保证人民的人身财产安全，就要对桥身桥体进行实时监控，采取及时的补救措施。

在现在大多数的监测方案中，几乎都需要传感器技术，本文对传感器在测量桥梁应力的应用做了详细的描述。

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。

测量桥梁应力的基本思路是将传感器粘附于桥身柱体部分，通过测量桥在空载和承载时传感器的数值变化，通过数值的转换与计算，得出桥梁承受的应力。

因此，此次测量所需传感器属于压力传感器。

设计思路方案内容：假设某柱形公路桥长为500米，现在用多台测量应力传感器进行静载实验，从而确定此桥梁的承载能力和工程的可靠性。

步骤：1:首先将此段桥梁平均分成五段，每段为一百米；2:选取每段桥梁的中心点为布置测点，并粘上测量桥梁应力传感器的应变片，应变测量的传感器是电栅尺寸为50×100mm的长标距电阻应变片;具体布置如下图：（此图为抽象出来的桥面，应变片对称均匀分布在桥底面上）3:将所有测点合理的连接到静应变仪上，打开一起预热，用USB线连上装好相关软件的电脑上；4：打开软件，设置好各项参数后进行平衡，清零采样；5：本实验采用30t 的三周加载汽车进行加载，车辆加速选用中载和偏载两种方式，即相对车道中心线对称布置3列车以及偏一侧靠近防护栏布置3列车，根据不同的工况进行逐次采样;结果分析：将测试数据导出进行分析，从而验证桥梁结构强度，并根据相关标准评价其在设计使用荷载下的工作性能。

电阻应变片式传感器及应用

电阻应变片式传感器及应用

对于微小变化，d 故有，R

S
L
L L 2 S S S
L 应变： L 引入两个概念 D D 泊松比： L L

R L S R L S
2DD S S 4 4 S D 2 S D
R1 U U R1 1 2 R R1 2 4 R 1 R1 2R
R R1 1 1 R1 1 2R R1 0 2R
U o
U R1 4 R
以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近
似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。
压阻式固态压力传感器
利用扩散工艺制作的四个 半导体应变电阻处于同一硅片 上，工艺一致性好，灵敏度相 等，漂移抵消，迟滞、蠕变非 常小，动态响应快。
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承压膜片 可以将腐蚀性的气体、 液体与硅膜片 隔离开 来。
p 压阻式固态 压力传感器
内部结构
信号处 理电路
导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象， 称为电阻应变效应

金属应变片有:丝式和箔式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.

应变效应：
受外力F作用 应力 L，S， R
dR dL L d L dS 对R按应力 求全微分得： 2 d S d S d S d
r r t t 若半导体只沿纵向受应 力，则 r E 式中： r t 纵向、横向压阻系数 E 半导体弹性模数
R (1 2 r E ) r E R
r t 纵向、横向应力 纵向应变
' ' R1' R1 1，R2 R2 1，R3' R3 1，R4 R4 1，
压力传感器工作原理

压力传感器工作原理

压力传感器工作原理压力传感器是一种用于测量物体受到的压力的设备。

它将压力转化为电信号，通过测量电信号的变化来确定物体所受的压力大小。

压力传感器被广泛应用于工业控制、汽车工程、医疗设备等领域。

一、压力传感器的基本原理压力传感器的基本原理是利用物理效应将压力转化为电信号。

常见的压力传感器工作原理有电阻式、电容式和应变式。

1. 电阻式压力传感器电阻式压力传感器基于电阻值随压力变化而变化的原理。

它由一个弹性变形的薄膜和一对电极组成。

当物体受到压力时，薄膜会发生弱小的变形，导致电阻值发生变化。

通过测量电阻值的变化，可以确定物体所受的压力大小。

2. 电容式压力传感器电容式压力传感器基于电容值随压力变化而变化的原理。

它由两个平行的金属板和一个绝缘层组成。

当物体受到压力时，金属板之间的距离会发生弱小的变化，导致电容值发生变化。

通过测量电容值的变化，可以确定物体所受的压力大小。

3. 应变式压力传感器应变式压力传感器基于材料应变随压力变化而变化的原理。

它由一个弹性材料和一对电阻片组成。

当物体受到压力时，弹性材料会发生弱小的应变，导致电阻值发生变化。

通过测量电阻值的变化，可以确定物体所受的压力大小。

二、压力传感器的工作过程压力传感器的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 压力传感器感知压力压力传感器通过感知物体所受的压力，将压力转化为机械变形或者电信号。

不同类型的压力传感器使用不同的物理效应来感知压力。

2. 压力传感器转换信号压力传感器将感知到的压力转换为电信号。

这一步骤通常通过传感器内部的电路来实现。

电阻式压力传感器通过测量电阻值的变化来转换信号，电容式压力传感器通过测量电容值的变化来转换信号，应变式压力传感器通过测量电阻值的变化来转换信号。

3. 压力传感器输出信号压力传感器将转换后的电信号输出给外部设备。

输出信号可以是摹拟信号或者数字信号，具体取决于传感器的类型和应用需求。

4. 压力传感器信号处理在一些应用中，压力传感器的输出信号需要进行进一步的处理。

电阻式传感器

电阻式传感器

受力后材料的电阻率发生的变化，即d/。 对金属材料而言，以第一项为主。
对于确定的材料,(1+2)项是常数,数值约在1～2之间。 实验证明
d /
结论：
x dR / R Ks x
也是一个常数，因此得到 ：
dR Ks x R
金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。 （三）应变片测量原理 应变片测量应力时，在外力作用下被测对象将产生微 小的机械变形，应变片随其发生相同的变化，同时， 应变片电阻也发生相应变化。 当测得应变片电阻值变化量R时，便可得到被测对象 的应变值。

若电阻丝是圆形的，则A=r2，r为电阻丝的半径， 得： dA=2rdr，则 dA 2 rdr dr 2 2 A r r dL x —金属丝轴向应变，一般；0.24~0.4 令 L dr r —金属丝径向应变。 r 由材料力学得知:
在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径 向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为：
r x
式中——金属材料的泊松系数
dR d (1 2 ) x R 金属丝的灵敏系数： dR / R d / Ks (1 2 ) x x
物理意义：
单位应变所引起的电阻相对变化。
灵敏系数受两个因素影响：
受力后材料几何尺寸的变化，即 (1+2)
二、电阻应变片的结构和工作原理
（一）基本结构
电阻应变片（应变计）种类繁多，但其基本结构大体 相似，现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。 电阻丝应变片基本结构： 将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它 们变成一个整体。
应变片规格： 以使用面积和电阻值表示，如310mm2，120
在将应变片构成应变式传感器，应变敏感栅粘贴在基 片上是能否应用于测量的关键之一，因此对粘合剂有 苛刻的要求。粘贴必须遵循粘贴工艺，这样才有可能 使应变片正常地工作。