傳感器課程設(shè)計---應(yīng)變式拉壓傳感器

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非物理量的測試與控制技術(shù)，已越來越廣泛地應(yīng)用于航天、航空、交通運輸、冶金、機械制造、石化、輕工、技術(shù)監(jiān)督與測試等技術(shù)領(lǐng)域，而且也正逐步引入人們的日常生活中去。傳感器技術(shù)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)。在測試系統(tǒng)中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息

2、。</p><p>　　傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的可輸出信號的元器件或裝置。其中電阻應(yīng)變式傳感器是被廣泛用于電子秤和各種新型機構(gòu)的測力裝置，其精度和范圍度是根據(jù)需要來選定的。因此，應(yīng)根據(jù)測量對象的要求，恰當?shù)剡x擇精度和范圍度是至關(guān)重要的。但無論何種條件、場合使用的傳感器，均要求其性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，經(jīng)久耐用。</p>&l

3、t;p>　　隨著技術(shù)的進步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱量，特別是隨著微處理機的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控制等，都應(yīng)用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領(lǐng)域。</p&

4、gt;<p>　　本次課程設(shè)計的是一個大量程稱重傳感器，測量范圍為1t到100t。</p><p>　　本次課程設(shè)計的稱重傳感器就是利用應(yīng)變片阻值的變化量來確定彈性元件的微小應(yīng)變，從而利用力，受力面積及應(yīng)變之間的關(guān)系來確定力的大小，進而求得產(chǎn)生作用力的物體的質(zhì)量。應(yīng)變片阻值的變化可以通過后續(xù)的處理電路求得。</p><p>　　傳感器的設(shè)計主要包括彈性元件的設(shè)計和處理電路的設(shè)

5、計。由于傳感器輸出的信號是微弱信號，故需要對其進行放大處理；由于傳感器輸出的信號里混有干擾信號，故需要對其進行檢波濾波；由于傳感器輸出的信號通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓），故需要設(shè)計共模抑制電路。除此之外，還要設(shè)計調(diào)零電路。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1、課程設(shè)計目的和要求----------------------

6、-------------------------------1</p><p>　　2、課程設(shè)計任務(wù)-----------------------------------------------------------2</p><p>　　3、方案的選擇-------------------------------------------------------------3</

7、p><p>　　3.1方案的制定------------------------------------------------------------3</p><p>　　3.2 方案的確定-----------------------------------------------------------4</p><p>　　4、材料的選擇-----------

8、--------------------------------------------------6</p><p>　　4.1 彈性元件-------------------------------------------------------------6</p><p>　　4.1.1 彈性元件材料-----------------------------------------

9、------------6</p><p>　　4.1.2彈性元件材料------------------------------------------------------7</p><p>　　4.2 應(yīng)變片的選擇---------------------------------------------------------8</p><p>　　4.2.

10、1電阻應(yīng)變片類型的選擇----------------------------------------------9</p><p>　　4.2.2應(yīng)變計的材料------------------------------------------------------9</p><p>　　4.3應(yīng)變計主要參數(shù)的確定-------------------------------------

11、------------10</p><p>　　5、外殼尺寸確定-----------------------------------------------------------11</p><p>　　6、測量電路的設(shè)計與計算---------------------------------------------------12</p><p>　　6.1

12、電橋電路的設(shè)計與計算-------------------------------------------------12</p><p>　　6.2交流電壓輸出電路-----------------------------------------------------13</p><p>　　6.3放大電路----------------------------------------

13、---------------------13</p><p>　　6.4濾波電路-------------------------------------------------------------16</p><p>　　6.6數(shù)字顯示電路---------------------------------------------------------16</p>&

14、lt;p>　　7、誤差來源與精度分析-----------------------------------------------------18</p><p>　　8、相關(guān)元器件的確定-------------------------------------------------------19</p><p>　　參考資料---------------------------

15、------------------------------------ 20</p><p>　　心得體會--------------------------------------------------------------- 21</p><p>　　附錄一 常用芯片引腳圖-------------------------------------------------- 22&

16、lt;/p><p>　　附錄二 傳感器電路處理總圖---------------------------------------------- 25</p><p>　　附錄三 傳感器外觀設(shè)計圖------------------------------------------------------------------------ 26</p><p>　　1、課

17、程設(shè)計目的和要求</p><p>　　1．傳感器原理課程設(shè)計是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的必須完成的一個課程設(shè)計。是一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過本設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用傳感器設(shè)計和有關(guān)先修課程的理論，結(jié)合實際分析和解決工程實際問題的能力，鞏固加深有關(guān)傳感器設(shè)計方面的知識。</p><p>　　2．通過制定設(shè)計方案，合理選擇傳感器結(jié)構(gòu)和相關(guān)元件類型，正確計算、選擇各零件和元件

18、參數(shù)，確定尺寸和選擇材料，以及較全面地考慮制造工藝、使用和維護等要求，達到了解和掌握傳感器設(shè)計過程和方法。</p><p>　　3. 進行設(shè)計基本技能的訓(xùn)練。如：計算、繪圖、熟悉和運用設(shè)計資料（手冊、圖冊、標準和規(guī)范等）以及使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)、進行經(jīng)驗估算和數(shù)據(jù)處理及計算機應(yīng)用的能力。</p><p>　　4. 通過設(shè)計環(huán)節(jié)的實際訓(xùn)練，加深學(xué)生對該課程基礎(chǔ)知識和基本理論的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生綜合

19、運用所學(xué)知識的能力，使之在理論分析、設(shè)計、計算、制圖、運用標準和規(guī)范、查閱設(shè)計手冊與資料以及計算機應(yīng)用能力等方面得到初步訓(xùn)練，促進學(xué)生養(yǎng)成嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度。</p><p><b>　　2、課程設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　題 目: 基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計 </p>

20、;<p>　　初始條件：采用電阻應(yīng)變片設(shè)計測量力、壓力、加速度、位移等物理量的傳感器，設(shè)計時自行確定被測變量及測試范圍，并根據(jù)測量的需要選擇應(yīng)變片的型號、數(shù)量、粘貼方式以及彈性元件的結(jié)構(gòu)形式、相關(guān)測試電路等。</p><p><b>　　要 求：</b></p><p>　　1．正確選取電阻應(yīng)變片的型號、數(shù)量、粘貼方式并連接成交流電橋；</p&

21、gt;<p>　　2. 選取適當形式的彈性元件，完成其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和受力分析，并根據(jù)測試極限范圍進行校核；</p><p>　　3.  完成傳感器的外觀與裝配設(shè)計；</p><p>　　4. 完成應(yīng)變電橋輸出信號的后續(xù)電路（包括放大電路、相敏檢波電路、低通濾波電路）的設(shè)計和相關(guān)電路參數(shù)計算，并繪制傳感器電路原理圖；</p><p>

22、　　5. 按學(xué)校課程設(shè)計說明書撰寫規(guī)范提交一份課程設(shè)計說明書（6000字左右）；</p><p>　　6. 按機械制圖標準繪制機械裝配圖（3號圖紙）、彈性元件圖（4號圖紙）各一張。</p><p><b>　　3、方案的選擇</b></p><p>　　此次傳感器課程設(shè)計選用應(yīng)變式拉壓傳感器。設(shè)計中只要把應(yīng)半片貼在承受負載的彈性元件上，通過測量

23、彈性元件的應(yīng)變大小即可求出對應(yīng)的負載大小，而彈性元件的應(yīng)變大小可以通過應(yīng)變片電阻大小的變化量來求得。故可以通過選擇不同的彈性元件和測量電路來提出不同的方案。 </p><p><b>　　3.1 方案的制定</b></p><p>　　根據(jù)彈性體的結(jié)構(gòu)形式的不同可分為：輪輻式，梁式，環(huán)式，柱式等。在測量拉/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

24、心兩種，如圖2.1.1所示。（a是實心，b是空心）</p><p>　　圖3.1 柱式傳感器的彈性元件 </p><p>　　應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化ΔR/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)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。</p><p>　　圖3.2 直流電橋電路</p

25、><p><b>　　3.2 方案的確定</b></p><p>　　實心圓柱可以承受較大的負荷，在彈性范圍內(nèi)，則應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。</p><p>　　ε= (3-1)</p><p>　　式中：F——作用

26、在彈性元件上的集中力；</p><p>　　S——圓柱的橫截面積。</p><p>　　圓柱的直徑根據(jù)材料的允許應(yīng)力來計算。 </p><p>　　圖3.1 實心圓柱與空心圓柱 </p><p>　　由于 F / S≤[σ]

27、 (3-2)</p><p>　　而 S=πd2 / 4 (3-3)</p><p>　　式中d為實心圓柱直徑。</p><p>　　則直徑 d

28、 (3-4)</p><p>　　空心圓柱彈性元件的直徑也要根據(jù)允許應(yīng)力計算。</p><p>　　同理 (3-5)</p><p>　　式中：D——空心圓柱外徑； d—

29、—空心圓柱內(nèi)徑。</p><p>　　根據(jù)式（3-2）和式（3-5）可知</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　所以 D (3-7)</p><p>　　彈性元件的高度對傳感器的精度和動態(tài)特

30、性都有影響。由材料力學(xué)可知，高度對沿其橫截面的變形有影響。當高度與直徑的比值H / D〉〉1時，沿其中間斷面上的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)與其端面上作用的載荷性質(zhì)和接觸條件無關(guān)。試驗研究的結(jié)果建議采用</p><p>　　H >>2D+L (3-8)</p><p>　

31、　式中L為應(yīng)變片的基長。對于空心的圓柱為</p><p>　　H≥D-d+L (3-9)</p><p><b>　　此外，</b></p><p>　　因此，經(jīng)比較分析選取空心圓柱作為彈性體。</p><p&

32、gt;<b>　　電路轉(zhuǎn)換部分</b></p><p>　　一般電橋的輸出電壓為</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　如圖3. 2，兩臂差動電橋電路的電壓輸出為</p><p>　　… （3-11)&

33、lt;/p><p>　　設(shè)初始時,工作時一片受拉一片受壓，即,則式（3-11）可以簡化為</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　差動電橋電壓靈敏度為</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　同理若采用四臂電橋，如圖3.

34、2所示并設(shè)初始時，工作時時，輸出為</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　四臂電橋的電壓靈敏度為</p><p><b>　　（3-15）</b></p><p>　　通過比較其電壓靈敏度知四臂電橋（全橋）電路的靈敏度高，故選用四臂電橋電路。</p>&

35、lt;p><b>　　4、材料的選擇</b></p><p><b>　　4.1 彈性元件</b></p><p>　　彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有極為重要的地位。在傳感器工作過程中，一般是由彈性敏感元件首先把各種形式的非電物理量變換成應(yīng)變量或位移量等，然后配合各種形式的轉(zhuǎn)換元件，把非電量轉(zhuǎn)換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應(yīng)用最廣泛的元

36、件。</p><p>　　4.1.1 彈性元件材料</p><p>　　在設(shè)計傳感器以前，首先應(yīng)選擇好彈性元件材料。對彈性元件材料提出以下要求：</p><p>　　(1)強度高，彈性極限高；</p><p>　　(2)具有高的沖擊韌性和疲勞極限；</p><p>　　(3)彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定；</p>

37、;<p>　　(4)熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性；</p><p>　　(5)熱膨脹系數(shù)小；</p><p>　　(6)具有良好的機械加工和熱處理性能；</p><p>　　(7)具有高的抗氧化、抗腐蝕性能；</p><p>　　(8)彈性滯后應(yīng)盡量小。</p><p>　　常用材料：結(jié)構(gòu)鋼C

38、rNiMo,30CrMnSiNi2A）、鋁合金、鈦合金……。</p><p>　　材料的彈性模量、泊松比、密度和熱膨脹系數(shù)如下表所示</p><p>　　表4.1 常用材料彈性模量泊松比</p><p>　　經(jīng)過比較知結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量最大，熱膨脹系數(shù)最小，適合應(yīng)用制作負重大的傳感器，故本次課程設(shè)計選用結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A</p><p

39、><b>　　彈性元件的參數(shù)計算</b></p><p>　　由4.1.知本次課程設(shè)計采用的是結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiNi2A，查表得E=200Gpa，1080MPa</p><p><b>　　取=0.3，</b></p><p>　　根據(jù)許用應(yīng)力計算公式 [σ]= ，當安全系數(shù)取2得：</p><

40、;p>　　根據(jù)公式 (3-6) 得：</p><p>　　又因為應(yīng)變片的應(yīng)變比小于1500µε,取ε0=1000µε當彈性體的應(yīng)變比ε1小于ε0才不至于損壞應(yīng)變片 ，由式（3-1）可得</p><p>　　當彈性體的截面積同時大于S1 ，S2 時才能滿足整體的設(shè)計要求。</p><p>　　=max[S1 ，S2]= </p>

41、<p>　　當傳感器過載50%時，根據(jù)公式可求的</p><p>　　所以知超載50%時，彈性元件受到的應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。</p><p>　　彈性元件的外徑D不能選擇太小，否則會由于力的偏心造成很大的誤差。在實際計算時先按照額定載荷F，根據(jù)材料的參數(shù)求得[]=540MPa，取D=10.0cm</p><p><b>　　根據(jù)可得</

42、b></p><p><b>　　取d＝6.0cm</b></p><p>　　這樣空心管的壁厚為：</p><p><b>　　t＝</b></p><p><b>　　柱高的確定</b></p><p><b>　　對于圓柱筒式傳感器

43、</b></p><p><b>　　有 5cm</b></p><p>　　為了防止彈性元件受壓時出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高應(yīng)該選得小些，但又必須使應(yīng)變片能夠反映截面應(yīng)變的平均值，所以可取H=6.0cm</p><p>　　檢驗是否會出現(xiàn)局部失穩(wěn)，根據(jù)薄壁管的失穩(wěn)臨界應(yīng)力計算公式可得：</p><p>　　遠大于

44、[]=540MPa，故在超過量程50%的載荷作用下，不會出現(xiàn)局部失穩(wěn)。</p><p>　　4.2 應(yīng)變片的選擇</p><p>　　4.2.1電阻應(yīng)變片類型的選擇</p><p>　　電阻應(yīng)變片主要分為電阻絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。由于電阻絲式應(yīng)變片有橫向效應(yīng)對測量的精度有影響，使靈敏度降低，而且耐疲勞性能不高。金屬薄膜應(yīng)變片尚難控制電阻與溫度的

45、變化關(guān)系，不常用。故選用金屬箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點：</p><p>　　(1)本身性能穩(wěn)定，受溫度變化的影響小，在-30—+350 度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作；</p><p>　　(2) 散熱條件較好；</p><p>　?。?）在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好；</p><p>　　(4)適用于各種彈性體材料及彈性結(jié)構(gòu)形式，粘貼

46、操作簡便；</p><p><b>　　(5)價格便宜；</b></p><p>　　(a)單軸的 (b)測扭矩的 (c)多軸的(應(yīng)變花) </p><p>　　圖4.1各種金屬箔式應(yīng)變片</p><p>　　4.2.2應(yīng)變計的材料</p><p>　　電阻應(yīng)變計簡稱應(yīng)

47、變計（亦稱為電阻應(yīng)變片或簡稱應(yīng)變片）。它由四個部分組成。</p><p>　　第一是電阻絲（敏感柵），它是應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換元件。</p><p>　　第二是基底和面膠（或覆蓋層）?；资菍㈤L肝氣彈性體表面的應(yīng)變傳遞到電阻絲柵上的中間介質(zhì)，并起到電阻絲與彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護電阻絲的作用。</p><p>　　第三是粘合劑，它將電阻絲與基底粘貼在一起。<

48、/p><p>　　第四是引出線，它作為聯(lián)結(jié)測量導(dǎo)線之用。</p><p>　　(1)材料的選用原則</p><p>　　應(yīng)變計敏感柵合金材料的選擇對制作應(yīng)變計性能的好壞起著決定性的作用，因此對制作應(yīng)變計所用的應(yīng)變電阻合金有以下的要求：</p><p>　　a有較高的靈敏系數(shù)；</p><p><b>　　b電阻率

49、高；</b></p><p>　　c電阻溫度系數(shù)小，具有足夠的熱穩(wěn)定性；</p><p>　　d機械強度高，壓碾或拉伸性能好，高溫時耐氧化性能要好，耐腐蝕性能強；</p><p>　　e與其它金屬接觸的熱電勢??；</p><p>　　f與引出線焊接容易。</p><p>　　(2)常用的應(yīng)變計材料</

50、p><p>　　目前國內(nèi)還沒有一種金屬材料能滿足上述全部要求，因此在選用時，只能給予綜合考慮，常用的有康銅、鎳鉻、卡瑪合金、鎳鉻硅錳等合金。其各自性能分別如下表所示：</p><p>　　表4.2常用的應(yīng)變計材料</p><p>　　有表可知：電阻溫度系數(shù)較小而且穩(wěn)定，同時它的Ks對應(yīng)變值的穩(wěn)定性非常高，不但在變形的彈性范圍Ks持為常數(shù)，在進入塑性范圍后，亦基本保持為常

51、數(shù)。</p><p>　　所以本課程設(shè)計采用是材料為康銅的應(yīng)變片。</p><p>　?。?）基底、引線材料和粘合劑</p><p>　　基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。</p><p>　　基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛

52、樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.03～0.05mm，本次設(shè)計采用膠基；</p><p>　　引線材料是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線；</p><p>　　黏合劑材料用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個方向和

53、位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。本次設(shè)計采用有機粘結(jié)劑。</p><p>　　4.3應(yīng)變計主要參數(shù)的確定</p><p>　　箔式應(yīng)變計的敏感柵是用厚度為0.002～0.005毫米的銅鎳合金

54、或鎳鉻合金的金屬箔，采用刻圖、制版、光刻及腐蝕等工藝過程而制成?；资窃诓牧硪幻嫱可蠘渲z，經(jīng)過加溫聚合而成，基底的厚度一般為0.03～0.05mm。</p><p>　　圖4.2應(yīng)變計的結(jié)構(gòu) 圖4.3 敏感柵的尺寸</p><p>　　基于彈性體結(jié)構(gòu)和測量要求選用應(yīng)變片的參數(shù)：</p><p>　　表4.3 應(yīng)變片

55、參數(shù)</p><p><b>　　5、外殼尺寸確定</b></p><p><b>　　實物圖如下所示</b></p><p>　　圖5.1 柱式傳感器實物圖</p><p>　　具體設(shè)計圖參考附錄中的圖。</p><p>　　6、測量電路的設(shè)計與計算</p>

56、<p>　　6.1電橋電路的設(shè)計與計算</p><p>　　依照課程設(shè)計中的方案選擇知使用的電橋為全橋電路。在實際測量中，作用力不可能正好通過柱體的中心軸線，所以這樣的柱體彈性元件除了受到拉（壓）外，還受到橫向力和彎矩。通過圖6.1所示應(yīng)變片的粘貼、連接方法可以減小這種影響。 圖6.1 應(yīng)變片的粘貼和連接方法</p><p>　　圖中各應(yīng)

57、變片上的應(yīng)變分別為</p><p>　　式中：為溫度引起的虛假應(yīng)變。</p><p><b>　　根據(jù)橋式電路輸出為</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　電橋電壓靈敏度為</b></p><p><b

58、>　?。?-2）</b></p><p>　　電路設(shè)計中，應(yīng)變片的連接如右圖所示，對應(yīng)圖6.1所示的應(yīng)變片接法。所選用的是全橋形式的差動電橋，且為提高電橋靈敏度或進行溫度補償，每個橋臂都安置兩個應(yīng)變片。</p><p>　　此外，由于在零壓力時，傳感器大約有2mV的不平衡輸出，并且放大器有輸入失調(diào)電壓，因此，用組成的電橋電路進行零位調(diào)整。通過改變電位器

59、 圖6.2 全橋的電路設(shè)計</p><p>　　的值，可改變補償電壓的大小，以使得零壓力時U0=0V，為了保證足夠的調(diào)整精度，電位器為多圈電位器。</p><p>　　6.2交流電壓輸出電路</p><p>　　ICL8038的波形發(fā)生器是一個用最少的外部元件就能生產(chǎn)高精度正弦,方形,三角, 鋸齒波和脈沖波形徹底單片集成電路. 頻率(或重復(fù)頻率)

60、的選定從0.001hz到300khz可以選用電阻器或電容器來調(diào)節(jié), 調(diào)頻及掃描可以由同一個外部電壓完成. ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片，輸出由溫度和電源變化范圍廣而決定. 這個芯片和鎖相回路作用， 具有在發(fā)生溫度變化時產(chǎn)生低的 圖6.3交流電壓輸出電路</p><p>　　頻率漂移，最大不超過250ppm／℃</p><p>　　特

61、點：1、具有在發(fā)生溫度變化時產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過50ppm／℃；</p><p>　　2、正弦波輸出具有低于1％的失真度；</p><p>　　3、三角波輸出具有0．1％高線性度；</p><p>　　4、具有0．001Hz～1MHz的頻率輸出范圍；工作變化周期寬；</p><p>　　5、2％～98％之間任意可調(diào)；高的電平輸出范圍；

62、</p><p>　　6、從TTL電平至28V；</p><p>　　7、具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號輸出；</p><p>　　8易于使用，只需要很少的外部條件 </p><p>　　取RA=RB=10KΩ，輸出的波占空比為50%。端口9輸出的是方波，端口2輸出的是正弦波</p>

63、<p><b>　　6.3放大電路</b></p><p>　　來自傳感器的信號通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓）。一般采用差動輸入集成運算放大器來抑制它，但是必須要求外接電阻完全平衡對稱，運算放大器才具有理想特性。否則，放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對稱精度有關(guān)，又與運算放大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運算放大器共模抑制比可達80dB，而采用由幾個集成運算

64、放大器組成的測量放大電路，共模抑制比可達100～120dB。</p><p>　　結(jié)合以上幾點，采用了低漂移運算放大器構(gòu)成的三運放高共模抑制比放大電路。具體的電路如圖6.3所示 </p><p>　　圖6.4 三運放高共模抑制比放大電路</p><p>　　它由三個集成運算放大器組成，其中N1，N2為兩個性能一致（主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益）的同向輸入

65、通用集成運算放大器，構(gòu)成平衡對稱（或稱同向并聯(lián)型）差動放大輸入級，N3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制N1，N2的共模信號，并適應(yīng)接地負載的需要。</p><p>　　由輸入級電路可寫出流過Ro，R1，R2的電流為</p><p><b>　　（6-2）</b></p><p>　　由此求得 ， （6-3）</

66、p><p>　　于是，輸入級得輸出電壓，即運算放大器N2與N1輸出之差為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　其差模增益為</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　由上面公式可知，輸

67、入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在Ro兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部電阻匹配。但為了消除N1，N2片偏置電流等的影響，通常取R7=R8.另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)R14可以改變增益而不影響電路的對稱性。</p><p>　　根據(jù)共模抑制比定義，可求得輸入級的共模抑制比為</p><p>　　CMRR12=CM

68、RR1×CMRR2/︱CMRR1-CMRR2︱ （6-6）</p><p>　　式中的CMRR1、CMRR2分別為N1、N2的共模抑制比。</p><p>　　當R9=R10、R13=R14時，運算放大器N3的差模增益為</p><p>　　整個電路的共模抑制比為</p><p>　

69、　CMRR=(KdCMRR3× CMRR12)/( KdCMRR3+ CMRR12) （6-7）</p><p>　　式中CMRR3－運算放大器N3的共模抑制比</p><p>　　為了獲得高的共模抑制比，必須選取集成運算放大器N3具有高的共模抑制比，同時精選外接電阻，盡量使R10=R11、R12=R13精度應(yīng)控制在0.1％內(nèi)。而且通常將

70、輸入級的增益Kd設(shè)計得大些，輸出級的增益Kd3設(shè)計得小些。這種電路由于N1,N2的隔離作用，輸出級的外部電阻可以取得較小，有利于提高電阻的匹配精度，提高整個電路的共模抑制比CMRR≥120dB，共模輸入電壓范圍為＋6～－10V，總增益1～10000（Rp為幾十至幾百歐姆）。</p><p>　　如果在N3的兩輸入端之間接入共模補償電路，則可補償電阻的不對稱，獲得更高的共模抑制比。改變Rp阻值可將共模增益調(diào)整到最佳

71、點。</p><p>　　所以，可以得到放大電路的總增益為</p><p><b>　　（6-8）</b></p><p><b>　　6.4濾波電路</b></p><p>　　由于測量過程中不可能做到理想化，故會產(chǎn)生一些雜波，同時電路還會受到噪聲信號的干擾，因此，需要對檢測到的信號進行濾波處理。

72、本次課程設(shè)計中采用的濾波電路為壓控電壓源低通濾波電路。</p><p><b>　　其參數(shù)如下：</b></p><p><b>　　(6-9)</b></p><p><b>　　(6-10)</b></p><p>　　(6-11) 圖6.5 壓控電壓源型低通濾波電路&

73、lt;/p><p><b>　　6.5數(shù)字顯示電路</b></p><p>　　數(shù)顯電路主要器件由芯片MC14433和共陰極半導(dǎo)體數(shù)碼管LED組成。</p><p>　　圖6.6 數(shù)字顯示電路</p><p>　　MC14433是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的單片3位半A/D轉(zhuǎn)換器，它適合構(gòu)成帶B碼輸出的3位半LED顯示數(shù)字電壓表

74、，是目前應(yīng)用較為普遍的一種低速A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　MC14433的性能特點：</p><p>　　（1）MC14433屬于CMOS大規(guī)模集成電路，其轉(zhuǎn)換準確度為±0.05%。內(nèi)含時鐘振蕩器，僅需外接一只振蕩電阻。能獲得超量程（OR）、欠量程（UR）信號，便于實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換量程。能增加讀數(shù)保持（HOLD）功能。</p><p>　　（2）需配外

75、部的段、位驅(qū)動器，采用動態(tài)掃描顯示方式，通常選用共陰極LED數(shù)管。</p><p>　?。?）有多路調(diào)制的BCD碼輸出，可直接配μP構(gòu)成智能儀表。</p><p>　?。?）工作電壓范圍是±4.5 V～±8V，典型值為±5V，功耗約8mW。</p><p>　　7、誤差來源與精度分析</p><p>　　7.1電

76、阻應(yīng)變片引起的誤差</p><p>　　用應(yīng)變片測量時，由于環(huán)境溫度所引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差。</p><p>　　造成應(yīng)變片溫度誤差的原因主要有兩個：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。</p><p>　　設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時，粘貼在試件表面

77、的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為α ，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當Δt 存在時，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對變化為</p><p><b>　　(7-2)</b></p><

78、p>　　式中：K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)；為試件線膨脹系數(shù)；為應(yīng)變片敏感柵材料線膨脹系數(shù)。</p><p>　　因此由于溫度變化引起的總電阻相對變化為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　通常，在常溫應(yīng)變測量中采用橋路補償法，如圖6.1所示，這種方法簡單，經(jīng)濟，補償效果好。 </p><

79、p>　　7.2電橋的非線性誤差</p><p>　　實際電橋電壓與應(yīng)變片的電阻相對變化為非線性關(guān)系，如式（7-4）所示，當電阻變化量很小至可以忽略不計，或則遠小于1時，電橋電壓與電阻相對變化可以認為是線性的。</p><p><b>　　（7-4）</b></p><p><b>　　7.3電路的靈敏度</b><

80、;/p><p>　　電路靈敏度為應(yīng)變片靈敏度，橋路靈敏度，三運放電路增益以及濾波電路增益之積，即</p><p><b>　　（7-5）</b></p><p>　　由式（6-2），(6-8),(6-9)，并取=2.0得</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p&

81、gt;　　8、相關(guān)元器件的確定</p><p><b>　　相關(guān)電阻值的確定</b></p><p><b>　　最大量測量時，有</b></p><p><b>　　相應(yīng)的輸出電壓為</b></p><p>　　而輸入到A/D端的電壓為10V，因此有</p>&

82、lt;p>　　可放大電路為三運放高共模抑制比放大電路和壓控電壓源型低通濾波電路，取三運放高共模抑制比放大電路的放大倍數(shù)為160，濾波電路的放大倍數(shù)為2，由于根據(jù)本設(shè)計的技術(shù)要求與性能指標，可確定電橋放大電路各元件參數(shù)如下所示：</p><p>　　表 8.1電阻取值表</p><p><b>　　由上表計算可得出</b></p><p>

83、　　Ro為滑線變阻器，可取10K的阻值。</p><p>　　濾波電路的放大倍數(shù)為2,即，可以使R17=R18=10K</p><p><b>　　輸入橋路電壓的確定</b></p><p>　　為了保證精度，在靜態(tài)測量時，允許電流一般為25mA，空載時，有</p><p>　　所以，電壓可取12V</p>

84、<p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1]《傳感器原理及其應(yīng)用》，李瑜芳主編．電子科技大學(xué)出版社，2008年</p><p>　　[2]《新編傳感器技術(shù)手冊》，李科杰主編．國防工業(yè)出版社，2002年</p><p>　　[3]《傳感器實用裝置制作集錦》，陳爾紹主編．人民郵電出版社，2000年</p>

85、<p>　　[4]《傳感器工作原理及應(yīng)用實例》，黃繼昌主編．人民郵電出版社，1998年</p><p>　　[5]《測控電路》，張國雄主編，機械工業(yè)出版社．2005年</p><p>　　[6]《傳感器實用裝置制作集錦》，陳爾紹主編．人民郵電出版社，2000年</p><p>　　[7]《傳感器實際應(yīng)用電路設(shè)計》，黃賢武主編．電子科技大學(xué)出版社，199

86、7年</p><p>　　[8]《傳感器技術(shù)及其應(yīng)用》，楊帆 吳晗平主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2010年</p><p>　　[9]《機械課程設(shè)計簡明手冊》，駱素君 朱詩順主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2006年</p><p>　　[10]《工程力學(xué)（修訂版）》，李卓球 朱四榮主編，武漢理工大學(xué)出版，2008年</p><p><b>　　心

87、得體會</b></p><p>　　課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著 科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，傳感器已經(jīng)成為當今世界應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀的大學(xué)來說掌握傳感器的開發(fā)技術(shù)是十分重要的。</p><p>　　回顧起此次課程設(shè)計，我

88、仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在這些日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的 的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在 設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢

89、竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知 識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說不懂一些元器件的使用方法，對一些特殊電路掌握得不好。通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學(xué)過的知識重新 溫故。</p><p>　　在完成傳感器課程設(shè)計后,我們發(fā)現(xiàn)我們還有許多不足,所學(xué)到的知識還遠遠不夠,以至于還有一些功能不能被動完成。但通過學(xué)習(xí)這一次實踐,增強了我們的動手

90、能力,提高和鞏固了傳感器方面的知識,特別是電路方面。從中增強了我們的團隊合作精神,并讓我們認識到把理論應(yīng)用到實踐中去是多么重要。本次課程設(shè)計由于時間的倉促，還有許多地方有不足之處。請老師予以指出并給予指導(dǎo)。</p><p>　　附錄一 常用芯片的引腳圖</p><p>　　1.ICL8038引腳圖</p><p><b>　　引腳說明：</b>

91、</p><p>　　腳1、12（Sine Wave Adjust）：正弦波失真度調(diào)節(jié)；</p><p>　　腳2（Sine Wave Out）：正弦波輸出；</p><p>　　腳3（Triangle Out）：三角波輸出；</p><p>　　腳4、5（Duty Cycle Frequency）：方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)

92、；</p><p>　　腳6（V+）：正電源±10V～±18V； 圖11.1 icl8038引腳圖</p><p>　　腳7（FM　Bias）：內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸；</p><p>　　腳8(FM Sweep)：外部掃描頻率電壓輸入；</p><p>　　腳9（Square　Wave　Out

93、）：方波輸出，為開路結(jié)構(gòu)；</p><p>　　腳10（Timing　Capacitor）：外接振蕩電容；</p><p>　　腳11（V－ or　GND）：負電原或地；</p><p>　　腳13、14（NC）：空腳。</p><p>　　2.MC14433引腳圖</p><p>　　MC14433的引腳說明：<

94、;/p><p>　　[1]. Pin1(VAG)—模擬地，為高科技阻輸入端，被測電壓和基準電壓的接入地</p><p>　　[2]. Pin2(VR)—基準電壓，此引腳為外接基準電壓的輸入端。MC14433只要一個正基準電壓即可測量正、負極性的電壓。此外，VR端只要加上一個大于5個時鐘周期的負脈沖(VR)，就能夠復(fù)為至轉(zhuǎn)換周期的起始點。</p><p>　　[3]. P

95、in3(Vx)—被測電壓的輸入端，MC14433屬于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，因而被測電壓與基準電壓有以下關(guān)系： 因此，滿量程的Vx=VR。當滿量程選為1.999V，VR可取2.000V，而當滿量程為199.9mV時，VR取200.0mV，在實際的應(yīng)用電路中，根據(jù)需要，VR值可在200mV—2.000V之間選取。 </p><p>　　[4]. Pin4-Pin6(R1/C1，C1)—外接積分元件端。

96、圖11.2 MC14433引腳圖</p><p>　　次三個引腳外接積分電阻和電容，積分電容一般選0.1uF聚脂薄膜電容，如果需每秒轉(zhuǎn)換4次，時鐘頻率選為66kHz，在2.000V滿量程時，電阻R1約為470kΩ，而滿量程為200mV時，R1取27kΩ。</p><p>　　[5]. Pin7、Pin8(C01、C02)—外接失調(diào)補償電容端，電容一般也選0.1uF聚脂薄膜電容即可。&l

97、t;/p><p>　　[6]. Pin9(DU)—更新顯示控制端，此引腳用來控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。如果在積分器反向積分周期之前，DU端輸入一個正跳變脈沖，該轉(zhuǎn)換周期所得到的結(jié)果將被送入輸出鎖存器，經(jīng)多路開關(guān)選擇后輸出。否則繼續(xù)輸出上一個轉(zhuǎn)換周期所測量的數(shù)據(jù)。這個作用可用于保存測量數(shù)據(jù)，若不需要保存數(shù)據(jù)而是直接輸出測量數(shù)據(jù)，將DU端與EOC引腳直接短接即可。</p><p>　　[7]. Pin1

98、0、Pin11(CLK1、CLK0)—時鐘外接元件端，MC14433內(nèi)置了時鐘振蕩電路，對時鐘頻率要求不高的場合，可選擇一個電阻即可設(shè)定時鐘頻率，時鐘頻率為66kHz時，外接電阻取300kΩ即可。</p><p>　　[8]. Pin12(VEE—負電源端。VEE是整個電路的電壓最低點，此引腳的電流約為0.8mA，驅(qū)動電流并不流經(jīng)此引腳，故對提供此負電壓的電源供給電流要求不高。</p><p&

99、gt;　　[9]. Pin13(Vss)—數(shù)字電路的負電源引腳。Vss工作電壓范圍為VDD-5V≥Vss≥VEE。除CLK0外，所有輸出端均以Vss為低電平基準。</p><p>　　[10]. Pin14(EOC)—轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標志位。每個轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時，EOC將輸出一個正脈沖信號。</p><p>　　[11]. Pin15（OR非）—過量程標志位，當|Vx|>VREF時， 輸出

100、為低電平。</p><p>　　[12]. Pin16、17、18、19(DS4、DS3、DS2、DS1)—多路選通脈沖輸出端。DS1、DS2、DS3和DS4分別對應(yīng)千位、百位、十位、個位選通信號。當某一位DS信號有效（高電平）時，所對應(yīng)的數(shù)據(jù)從Q0、Q1、Q2和Q3輸出，兩個選通脈沖之間的間隔為2個時鐘周期，以保證數(shù)據(jù)有充分的穩(wěn)定時間。</p><p>　　[13]. Pin20、21、

101、22、23(Q0、Q1、Q2、Q3)—BCD碼數(shù)據(jù)輸出端。該A/D轉(zhuǎn)換器以BCD碼的方式輸出，通過多路開關(guān)分時選通輸出個位、十位、百位和千位的BCD數(shù)據(jù)。同時在DS1期間輸出的千位BCD碼還包含過量程、欠量程和極性標志信息，這些信息所代表的意義見下表。</p><p>　　表11.1 MC14433千位BCD碼標志意義</p><p>　　[13]. Pin24(VDD)—正電源電壓端。

102、</p><p>　　3.MC1413引腳圖</p><p>　　MC1413是摩托羅拉公司出品的高耐壓、大電流達林頓陳列反向驅(qū)動器，由七個硅NPN達林頓管組成。MC1413的每一對達林頓管都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。MC1413工作電壓高，工作電流大，灌電流可以達到500mA,并且能夠

103、在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。</p><p>　　圖11.3 MC1413引腳圖</p><p>　　4.CD4511引腳圖</p><p>　　CD4511引腳圖功能說明：</p><p>　　BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。&

104、lt;/p><p>　　LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖</p><p>　　定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。</p><p>　　A1、A2、A3、A4、為8421