【正文】 ............................................ 27 應(yīng)變計的粘貼 ................................................. 27 彈性元件材料的穩(wěn)定處理 ......................................... 28 6 電阻應(yīng)變式傳感器的信號處理電路 ................................... 31 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 II 頁 共 II 頁 轉(zhuǎn)換電路 ....................................................... 31 直流電橋 ....................................................... 31 電路圖設(shè)計 ..................................................... 36 電路仿真 ....................................................... 36 參 考 文 獻 ......................................................... 39 致 謝 .............................................................. 40 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 40 頁 1 緒論 1． 1 課題研究的背景 現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的拾取、傳輸和處理技術(shù)，也就是 傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”、“大腦”?，F(xiàn)代電子技術(shù)和電子計算機為信息轉(zhuǎn)換與處理提供了極其完善的手段，使檢測與控制技術(shù)發(fā)展到嶄新階段。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 40 頁 傳感器技術(shù)所涉及的知識非常廣泛，滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域。 這一定義包含了以下幾方面的意思： （ 1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)； （ 2）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等； （ 3）他的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量； （ 4）輸入輸出有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。那么現(xiàn)在 舉幾個簡單的例子來說明傳感器的原理，如圖 、 所示。 2． 3 傳感器的組成結(jié)構(gòu) 傳感器亦稱 變換 器，是將各種非電量（包括物理量，化學(xué)量，生物學(xué)量等）按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硗庖环N物理量（一般為電量、磁量等）的裝置，它能把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量 [3]。 為了獲得被測變量的精確數(shù)值，不僅要求敏感元件對所測變量的響應(yīng)足夠靈中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 40 頁 敏，還希望它不受或少受其它環(huán)境因素的影響。轉(zhuǎn)換電路的類型和被測量、測量原理以及轉(zhuǎn)換元件有關(guān)，常用的電子器件有電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器等。 圖 傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片 傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器的電阻敏感柵是刻錄在一層絕緣脂薄膜上，而薄膜又通過粘結(jié)劑粘合到彈性 基片上，由于彈性元件與粘結(jié)劑及絕緣脂 膜之間的彈性模量不同，彈性元件的應(yīng)變不能直接傳遞給敏感柵，而是要通過粘結(jié)劑、絕緣脂膜才能到達敏感柵，從而產(chǎn)生較大的蠕變和滯后，影響傳感器的靈敏度、響應(yīng)度、線性度等性能。 為什么金屬導(dǎo)體的電阻會隨著其變形而改變呢？道理很簡單，這是因為導(dǎo)體的電 阻是與材料的電阻系數(shù)以及它的幾何尺寸（長度和截面）有關(guān)的，導(dǎo)體在承受機械變形過程中，這三者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻發(fā)生變化。因此（ ）式以增量表示可寫為： ?0KRR?? （ ） 上式表示金屬材料的電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比。使用環(huán)境，有高溫、低溫、水下、抗輻射、高壓、抗強磁場等；安裝形式有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。 所有電阻片中，絲式片屬最基本的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也是傳感器中常用的品種，其生產(chǎn)和使用歷史較長。 薄膜片是目前高精度傳感器中很有前途的新型電阻片（國外稱之為無蠕變工藝）。所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體的這種效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很微小的應(yīng)變。其他類型敏感柵，多采用直徑與上述相對的鉻鎳、鐵鉻鋁金屬絲或偏帶作為引線。這時，各直線段上的金屬絲只感受沿軸向拉應(yīng)變 x? ，電阻值將增加，但在圓弧段上，沿各微段軸向（即微段圓弧的切向）的應(yīng)變卻并非是 x? ，因此與直線段上同樣長度的各段所產(chǎn)生的電阻變化就不相同，最明顯的是在 2??? 處中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 40 頁 微圓弧段上，按 泊松系數(shù)的關(guān)系，在垂直方向上產(chǎn)生負的壓應(yīng)變 y? ，因此該段的電阻是減小的。加載特性曲線與卸載特性曲線的最大差值稱應(yīng)變片的滯后。 （ 1）應(yīng)變極限 應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變 i? 對測試值的真 實應(yīng)變 g? 的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為 10％）時的最大真實應(yīng)變值 j? 。通常允許電流值在靜態(tài)測量時約取 25mA 左右，動態(tài)時可高一些，箔式應(yīng)變片可取更大一些。圖 給出了應(yīng)變波與應(yīng)變片在波最大幅值的瞬時情況。 圖 柱形力傳感器 當被測力 F 沿柱體軸向作用在彈性體上時，其縱向應(yīng)變?yōu)?： ESFl ???? ???? （ ） 式中 ： E — 為材料的彈性模量； S — 為柱體的截面積； ? — 為材料的泊松比。 圖 電阻應(yīng)變計位置圖 其中：①應(yīng)變計 4和 3 為單軸結(jié)構(gòu)或 90176。代入公式 ()、()， 可得 ： 141312111 eeeeeeeeeeN t ????? （ ） )( 1eNet ?? （ ） 求出的結(jié)果為： )1(211 ??? ??????N 由于鋼的 ? 值為 ，所以 N =。假定施加在電橋上的最大推薦電壓為 10V，要想應(yīng)用更高的電壓，可通過加大電橋 電阻的方法，即采用更大電阻的應(yīng)變計。電橋的非線性可以被另一個非線性部分所抵消一些。等強度梁各點的應(yīng)變值 FhEbl 206?? （ ） 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁 共 40 頁 梁上各點的應(yīng)力為： 206hbFlWM ??? （ ） 式中： M — 梁所承受的彎矩； W — 梁各橫截面的抗彎模量；材料允許應(yīng)力 b?擇梁的尺寸。當所需測量的力 F 施加在傳感器上后， 1R ， 3R 受拉應(yīng)力，阻值增大； 2R ， 4R 受壓力，阻值減少。該梁的應(yīng)力分布均勻?qū)ΨQ，采用熱壓鑄成型加工相對方便，其應(yīng)力最大點在彈性梁的最薄偏離兩端處 [13]。 圖 傳感器的工藝流程圖 其中，彈性梁采用 95％ Al2O3 瓷熱壓鑄成型，高溫?zé)Y(jié)而成，要求瓷件平整致密，工藝一致性好。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 40 頁 5 粘貼技術(shù)及穩(wěn)定處理 應(yīng)變片粘貼技術(shù) 應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測件上的。 應(yīng)變計的粘貼 ①試件：在粘貼部位的表面，用砂布在與軸向成 45176。 彈性元件材料的穩(wěn)定處理 為確保傳感器的精度和性能的長期穩(wěn)定，和膠一樣，采取各種措施，減少時效變形，消除彈性元件在機械加工和熱處理中，由于加熱冷卻速度不一致，金相組織發(fā)生變化，以及剩余奧氏體逐漸分解等原因所引起的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，促使金屬組織穩(wěn)定就顯的十分重要。由于溫度較高（但比回火溫度稍低 ，以免引起其他性能變化），保溫時間較長，效果比較明顯。在需要考慮應(yīng)變片的壽命時，可以在貼片前適當增加疲勞次數(shù)，而貼片后適當減少次數(shù)。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 31 頁 共 40 頁 6 電阻應(yīng)變式傳感器的信號處理電路 轉(zhuǎn)換電路 應(yīng)變片可以把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化 RR? ，為顯示與記錄應(yīng)變的大小，還要把電阻的變化在轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，完成上述作用的電路稱為電阻應(yīng)變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路，一般采用測量電橋。 當 1?n 時，由式（ ）得： 110 4 RRUU ?? （ ） 4UKu ? （ ） 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 33 頁 共 40 頁 式（ ）表明，當電源電壓 U 及電阻相對值一定時，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻值的大小無關(guān)。1 RRnRRUUUrL ??????? （ ） 對于對稱電橋， 1?n 時： 111139。當溫度變化 t? 時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化： tkRR gt ???? )()( 2 ??? () 式中： k — 應(yīng)變片靈敏系數(shù)； g? — 試件膨脹系數(shù)； ?? — 應(yīng)變片敏感柵材料的膨脹系數(shù) 因此，由于溫度變化形成總的電阻相對變化為： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 35 頁 共 40 頁 tktRR gt ?????? )( ???? （ ） 相應(yīng)的熱輸出為： ttkkRR gtt ???????? )()( ????? () （ 2）溫度補償：通常補償溫度誤差的方法有應(yīng)變片線路補償法，而常用的最好的補償方法 是電橋補償法。電橋補償法簡易可行，使用普通應(yīng)變片可對各種試件材料在較大溫度范圍內(nèi)進行補償，因而最為常用。 1R 與 BR 接入電橋相鄰臂上，造成 1R? 與 BR? 相同，根據(jù)電橋理論可知，其 輸出電壓 0U 與溫度變化無關(guān)。對金屬電阻絲應(yīng)變片，因為 R? 非常小，電橋非線性誤差可以忽 略，對半導(dǎo)體應(yīng)變片，因為靈敏度比金屬絲式大得多，受應(yīng)變時 R? 很大，非線性誤差將不可忽略。 直流電橋的優(yōu)點是高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單，傳感器及測量電路分布參數(shù)影響小，在測量中常用直流電橋。 2. 不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 32 頁 共 40 頁 當電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋輸出電阻大很多，可以把電橋輸出端看成開路，電橋的輸出式為： URRRR RRRRU ))(( 4321 32410 ?? ?? （ ） 電橋的平衡條件與式（ ）相同。為了避免奧氏體在室溫下停留的陳化現(xiàn)象，一般在淬火、第一次回火后，冷到60℃時就放入低溫中（ 40～ 75℃）進行保溫處理。由圖可見，第一次退火可釋放原有表面剩余應(yīng)力的 54%左右，再進行一次，所剩余應(yīng)力僅有原來的32%。具體值隨加工磨削條件變化而異。 2．涂膠 在準備好的試件表面和應(yīng)變計基底上均勻涂一薄層粘結(jié)劑。粘結(jié)劑的性能及粘貼工藝的質(zhì)量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)等。此外，加工中應(yīng)盡可能減少瓷件的氣孔。 對于這類應(yīng)變式彈性體上的全等臂電橋，其輸出電壓 0V 和橋電壓 1V 有如下關(guān)系： 10 VGV F ??? ? （ ） 式中： FG 為應(yīng)變電阻的應(yīng)變系數(shù)。這樣，通過由 41 RR? 組成的電橋輸出的變化，負荷 F就相應(yīng) 地被轉(zhuǎn)換成與之大小成正比的電信號。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)最大載荷 F 和材料允許應(yīng)力 b? 選擇梁的尺寸。例如，當稱重傳感器承受壓向載荷時，橫截面面積增加，使壓縮應(yīng)力減?。划敵惺芾蜉d荷時，就是相反的情況。應(yīng)用 8個應(yīng)變計的電橋， 在圓柱表面沿 ?0 、 ?90 、 ?180和 ?270 粘貼 ?90 的應(yīng)變花，電橋各臂電阻會增大一倍。 如果應(yīng)變計靈敏系數(shù)為 ，代入公式（ ）中，計算結(jié)果如下： 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 40 頁 40 tfieGEE ? （ ）