传感器课程设计--电阻应变式传感器

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1、 1 一、一、 摘要摘要： 电阻应变式传感器具有灵敏度和精度高， 性能稳定、 可靠、 尺寸小、 重量轻、 结构简单、使用方便、测量速度快等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力 和重要测试中有非常广泛的应用。 所以电阻应变式力传感器制作的电子称具有准 确度高易于制作，简单实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特点。 本文从数显电子称的要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论 了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信 号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。电阻应变式传感 器工作原理是基于电阻应变效应原理。用金属电阻丝制作成电阻应变片，将其粘

2、贴在弹性体上。测量时，当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其 电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，将电信号通过数 码显示器显示出来，从而完成了将外力变换为电信号的过程。 二二、设计方案的确定：、设计方案的确定： 本设计方案应用弹性元件作敏感元件， 为了使力 （重力） 的作用点不受限制， 本方案选用等强度梁作为弹性敏感元件；为了使输出信号大，选用半导体应变片 作转换（传感）元件，并选用电桥作测量电路；传感器输出信号经放大后，进行 V F 变换，以频率信号形式输出到单片机，经单片机运算处理，显示重量值。信 号进行V F 变换可以增加信号传输距离，并具有抗干扰能力。同时

3、省掉了A D 环 节，提高了系统精度，简化了与单片机的接口。方案组成框图如图 1 所示。 2 三三、电阻应变式测力传感器、电阻应变式测力传感器部分部分的设计：的设计： （1）等强度梁结构设计： 等强度梁的结构如图 2 所示，是一种特殊形式的悬臂梁。其特点是：沿梁长 度方向的截面按一定规律变化，当集中力F作用在梁三角形顶点上时，距作用点 任何距离截面上的应力相等，故在对L方向上黏贴应变片位置要求不严。梁的固 定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，梁厚为h。 根据悬臂梁特性，当重力作用在自由端时，最大弯曲应力为 = 6L b0h2 W （1） 则应变为 = E = 6L b0h2E W （2）

4、 式中 W被称物体重力； h梁厚度； b0固定端宽度； L梁长； 3 E弹性模量。 根据式（1）和强度理论，可写出强度条件： = 6L b0h2 W （3） 式中 梁材料的许用应力，可从材料手册查得。 由许用应力、称重范围及允许梁占用的空间几何尺寸，加以经验值，来选择 制造梁的材料，确定梁长、厚度等结构参数。 （2）测量电桥设计： 为了消除非线性误差和温度误差对测量结果的影响， 设计的测力电阻应变式 传感器采用四臂差动式电桥测量电路。 距固定端较近的表面顺着梁的长度方向分 别贴上R1、R4和R2、 R3（R2、R3在底部）四个电阻应变计。若R1、R4承受拉力， 则R2、R3将受到压力，两者应变相等，但极性相反，如图3 所示。 设R1= R2= R3= R4= R，R1= R4= R，R2= R3= R，则差动 全桥输出电压公式为 U0= Us R R 4 因此，电桥输出电压U0与R R （应变片电阻变化）成严格线性关系，消除了电 桥非线性的影响