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1、湖 南 科 技 大 學傳 感 器 課 程 設 計題目作者學院機電工程學院專業(yè)測控技術與儀器學號指導教師楊書儀 凌啟輝二一七 年 六 月 十 日湖南科技大學本科生課程設計摘要應變式傳感器應用廣泛，很多地方都得以應用，而本次課程設計的重點是設計一個應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、彈性元件的尺寸設計、應變的選材、應變校驗等。課程設計的內容包括：掌握和了解相關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對傳感器結構及零件進行設計、對轉換電路進行計算和設計等。關鍵詞：圓柱式、應變片、稱重、形變- -目
2、錄一、工作原理及特點1 1、工作原理1 2、測量特點1二、柱式傳感器結構設計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、幾種應變片的比較及選定3 4、應變片材料的選定及要求4三、相關理論分析6 1、彈性敏感元件的特性參數(shù)計算6 2、應變片參數(shù)的計算7 3、彈性元件變形與應變片電阻值關系7四、電路的設計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換成電阻值的變化。也就是利用金屬的電阻應變效應(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)將測量物體變形轉換城電阻值的變化，再由轉換電路變成點亮的輸出。引起的電阻阻值變化R，伸長量l，
3、電阻率變化量，橫截面積相應減少量S；則有： （1-1）式中的l/l為電阻式的軸向應變，用表示，徑向應變?yōu)閞/r ，電阻絲的縱向伸長和橫向收縮關系用泊松比表示為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，電阻相對變化與橫向應變成正比。通常金屬絲的靈敏系數(shù)k0 = 2左右。二、 測量特點以電阻應變片和敏感元件組成。將電阻應變片粘貼在彈性敏感元件上，當彈性敏感元件在測量時其表面會出現(xiàn)
4、變形，導致其表面附著的電阻應變片的阻值隨之變化，與之相應的測量轉換電路將這一非電量的變化轉化為電量輸出。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；結構簡單，尺寸小。 二、柱式傳感器結構設計柱式傳感器的彈性元件分為實心和空心。應變片粘貼在彈性體外壁應力均勻的中間部分，并均勻對稱地粘貼多片。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。根據材料力學分析和試驗研究的結果，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為空心圓柱內徑，l為應變片基長。柱式傳感器結構簡單，可以測量大的拉壓力，最大可達10
5、7N。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構。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，當外力撤消后，固體又恢復原狀謂之彈性形變。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換成彈性元件的形變，然后配合轉換電路轉換成電量。所以說彈性元件在傳感器中應用是十分廣泛的。為了適合本課程設計的要求，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，熱處理后的殘存應力小;沖擊韌
6、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機械品質因數(shù)1000彈性模量溫度系數(shù)3510-5/表1根據應變式傳感器的使用特性和性能指標，本次設計采用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過熱處理后，材料的特性將更加
7、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。之后采用反復加載和機械振動的方法，可以釋放材料內部的應力三、幾種應變片的比較及選定1、金屬絲式應變片金屬絲式應
8、變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式應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增大。為了克服橫向效應，有短接式應變片。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。絲式應變片敏感柵的材料的要求是：靈敏系數(shù)
9、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、金屬箔式應變片金屬箔式應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：可以制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵，柵長l最小可做到0.2mm，以適應不同的測量要求；與被測試件接觸面積大，粘結性能好。散熱條件好，允許電流大，提高輸出靈敏度；橫向效應可以忽略；蠕變、機械滯后下，疲勞壽命長。目前箔式應變片得到了廣泛應用，現(xiàn)在已基本取代金屬絲電阻應變片。它的主要缺點是
10、電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐姆，故需要做阻值調整。3、金屬薄膜應變片金屬薄膜應變片是薄膜技術發(fā)展的產物。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，是一種很有前途的新型應變片。這種應變片的特點是：電阻值比箔式應變片高，形狀和尺寸箔式應變片更小更精確；他沒有箔式應變片腐蝕所引入疵病；制成的結構散熱性好，對于較寬的溫度范圍也可以達到較完善的補償；特別是近年激光調阻技術的發(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，既避免了復雜的分選和粘貼技術，而且對膠接法所引入的漂移、蠕變
11、、疲勞弱點都有很大的克服。4、半導體應變片利用半導體材料做成的壓阻式傳感器有兩種類型：一種是利用半導體材料的體電阻做成的粘貼式應變片；另一類是在半導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。對于金屬箔式應變片，橫向效應較小，因而提高了應變測量的精度，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變片的優(yōu)點，和考慮到工藝技術的有限及性價比問題，該次設計采用金屬箔式應變片。四、
12、應變片材料的選定及要求1、敏感柵材料制造應變片時，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與機械應變之間應具有良好而寬廣的線性關系，即要求Ks在很大范圍內為常數(shù)；電阻溫度系數(shù)小，電阻溫度之間的線性關系和重復性好；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Ni45Cu550.450.52201.92.11530
13、0（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
14、感柵材料。2、應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構簡單，可承受很大的載荷，根據截面形狀可分為實心截面和空心截面，而本次課程設計采用空心截面。在力的作用下，它以應變作為輸出量。在承受軸向作用力F時，在與軸線成角的截面上所產生的應變、
15、應力為 （3-1） （3-2）因此在軸向（=0）所產生的應力、應變?yōu)?（3-3） （3-4）橫向（=90）所產生的應力、應變?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力 彈性元件空心圓柱的截面面積空心圓柱的內徑和外徑的確定。考慮構建的穩(wěn)定性以及加工的難易程度，還有對于金屬箔式應變片在外徑上的粘貼情況，使貼片部分應力均勻，空心圓柱長度L=（22.5）D ，現(xiàn)取內徑d=20mm ；為保證圓柱加工的簡單，適當調整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
16、-4PH不銹鋼制成空心圓柱的內徑d=20mm，外徑D=25mm，圓柱的高度L=50mm，截面面積A=177mm2。二、應變片參數(shù)的計算應變片內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。應變片的電阻值已經趨于標準化，有60，120，35
17、0，600，和1000各種阻值，其中以120最常使用，所以該應變片設計也采用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關于箔式應變片最后的設計結果是：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膠基鎳鉻合金應變片的模板大致如下圖 ：圖1 應變片圖三、彈性元件變形與應變片電阻值關系在空心圓柱外圓壁上豎直對稱貼上4片應變片，并在這4個應變片下面橫向貼上一個應變片。當重物產生的重力作用在空心圓柱上時，空心圓柱發(fā)生彈性變形，空心圓柱的變形導致豎直粘貼在外壁上的應變片也跟著發(fā)生同樣的
18、變形，金屬絲變形導致電阻值變化，通過電橋電路從而轉換成電量的輸出，而橫向粘貼的應變片并不發(fā)生應變形變，只做溫度補償?shù)淖饔谩Ｍ饬ψ饔迷诳招膱A柱引起的變形量圓柱彈性形變，一個應變片12段柵絲產生的總變形為12，此時的柵絲總長度為120-12mm根據金屬絲變形前后的體積不變，可得 電阻值的變化（減?。㏑根據電橋電路，將阻值的變化轉換成電量輸出：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系：四、電路的的設計采用三運放
19、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系：- （4-1）利用放大電路將輸入的電壓放大15倍?，F(xiàn)選取轉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，化學工業(yè)出版社，2007年【4】 傳感器原理、設計與應用 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】 常用傳感器應用電路的設計與實踐 ，何希才主編，科學出版社，2007年【7】 測控電路 第5版，李醒飛主編，機械工業(yè)出版社，2017年- 10 -
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