電阻應(yīng)變傳感器設(shè)計：基于電阻應(yīng)變片的應(yīng)變式拉壓傳感器設(shè)計
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。
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心兩種，如圖2.1.1所示。（a是實心，b是空心）
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。
電阻應(yīng)變傳感器設(shè)計：電阻應(yīng)變式傳感器
應(yīng)變式加速度計根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)和振動系統(tǒng)慣性力的原理實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，對于電阻應(yīng)變效應(yīng)，這里不再詳述。慣性式測振傳感器的原理：測量結(jié)構(gòu)物某一點的振動，往往很難找到一個相對不動的基準(zhǔn)點來安裝儀器，因此就考慮設(shè)計這樣一種儀器，其內(nèi)部設(shè)置一個“質(zhì)量彈性系統(tǒng)”。測振時，把它固定在被測物上，使儀器的外殼與結(jié)構(gòu)物儀器振動，直接測量的是質(zhì)量塊相對于外殼的振動。應(yīng)變式加速度計是將電阻應(yīng)變效應(yīng)與系統(tǒng)慣性力原理良好的組合，在實際的測試工作中具有很好的應(yīng)用性。具有結(jié)構(gòu)簡單、低頻特性好等優(yōu)點，但靈敏度相對較低，適用量程為1g~2g，頻率范圍為0~100Hz。與動態(tài)應(yīng)變儀配套使用
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電阻應(yīng)變傳感器設(shè)計：電阻應(yīng)變式測壓傳感器設(shè)計及電路仿真
本文在分析國內(nèi)外壓力測試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對電阻應(yīng)變式測壓傳感器設(shè)計了電橋的調(diào)平電路、信號放大電路、濾波電路以及電源電路。壓力傳感器輸出信號非常微弱，難于測量和分析，測試結(jié)果誤差較大，設(shè)計壓力傳感器的信號調(diào)節(jié)電路和恒壓電源電路得到穩(wěn)定、放大、不失真的輸出信號有理論價值和實際意義。采用由X9C103、全橋電路以及附加適當(dāng)?shù)拈T電路組成自動調(diào)平電路；采用儀表放大器INA128為核心構(gòu)成放大電路；采用放大器OPA340構(gòu)成二階低通濾波器；采用專用電源芯片構(gòu)成恒壓電源電路。使用Protel專用電路設(shè)計軟件實現(xiàn)了電路設(shè)計，使用EWB電路仿真軟件完成信號調(diào)理電路的仿真。仿真結(jié)果表明，放大電路實現(xiàn)了信號100倍的放大，低通濾波電路截止頻率為159Hz，與理論值相同，從而驗證了設(shè)計的正確性。將各模塊進行綜合，實現(xiàn)對壓力傳感器的調(diào)平、濾波和電源控制，并且繪制原理圖，對該電路進行仿真。
信號調(diào)理電路的設(shè)計
信號調(diào)理電路在測壓系統(tǒng)中的作用
信號調(diào)理的目的是便于信號的傳輸與處理，其作用可以歸納為以下三點:
a)傳感器輸出的電荷信號要轉(zhuǎn)化成后續(xù)電路可以處理的電信號。
b)傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到記錄儀器中去，需要前置放大器對電信號進行放大。
c)電信號中混雜有干擾噪音，在檢測電路中需要設(shè)置濾波電路，目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，通過消除噪音來提高信噪比，對零位誤差和增益誤差進行補償和修正。
調(diào)平衡電路
由于電橋電阻的初始電阻值不完全相同，再加上連接導(dǎo)線電阻的串入，在未感受應(yīng)變時，電橋存在初始不平衡，如果太嚴重將占據(jù)儀器的動態(tài)范圍，影響儀器的正常工作。儀表放大器除了對微弱的信號進行線性放大，還擔(dān)負著匹配和抗共模干擾的任務(wù)，因此，要求儀表放大器具有高共模抑制比、高速度、寬頻帶、高精度、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪音。
自動調(diào)平電路由X9C103、全橋電路以及附加適當(dāng)?shù)拈T電路組成。
本文設(shè)計的應(yīng)變測量電橋由工作電阻應(yīng)變片、溫度補償電阻應(yīng)變片和兩個與所選電阻應(yīng)變片阻值相等的精密電阻組成。但由于這四個電阻的初始電阻值不完全相同，再加應(yīng)變片與測量電路之間需要用導(dǎo)線連接，由于導(dǎo)線本身存在一定的電阻，而且它和電阻應(yīng)變片串聯(lián)在測量電路的橋臂上，所以導(dǎo)線的電阻也是橋臂電阻的一部分，但它本身不參加變形。在未感受應(yīng)變時，使電橋存在初始的不平衡。如果此初始不平衡太嚴重，測量結(jié)果將存在一定的誤差。為了提高測量精度，有必要對初始電阻及導(dǎo)線引起的誤差進行修正。
電阻平衡調(diào)節(jié)電路如圖2所示。
如圖1所示，平衡電路由固定電阻Rb和電位器Ra組成。其中心抽頭將Ra分成xRa和(1-x)Ra兩部分。如圖2所示，x可從0變化到1，當(dāng)x=0時電位器的抽頭連接到C點，使得Rb和R2 并聯(lián)。當(dāng)x=1時電位器的抽頭連接到A點，使得Rb和R1 并聯(lián)。
圖1 電橋調(diào)平電路
儀表放大電路
在大多數(shù)儀器和測量裝置中，電橋的輸出端接到放大器的輸入端，因現(xiàn)代集成放大器的輸入阻抗往往在10MΩ以上。在這種接法中，電橋的輸出電流小到可以忽略不計，可以認為電橋的輸出對角是開路的。
本文設(shè)計的應(yīng)變測量放大電路，選用美國TI公司的INA128，它是一種低電壓通用型儀表放大器。由于特性優(yōu)良，加之體積小，并可用一個外部電阻方便地從1到設(shè)定增益，使得INA128能夠廣泛應(yīng)用于信號采集放大、醫(yī)用儀器及多通道系統(tǒng)等很多領(lǐng)域，可以在低至±2.25V的電源電壓下工作并且靜態(tài)工作電流很小，是便攜式和其它用電池供電系統(tǒng)的理想器件。
圖2 電橋調(diào)平原理圖
圖3 典型的儀表放大器原理圖
圖4 INA128外部引腳圖
放大器由兩級串聯(lián)，前級是兩個同項放大器，為對稱結(jié)構(gòu)，輸入信號加在A1、A2的同項輸入端，從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級是差動放大器，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出的方式，適應(yīng)對地負載的需要。
INA128采用激光刻蝕，有低閥值電壓（50μV/℃）和高常規(guī)模式下的衰減，及較低供電電壓，可低至供電靜態(tài)電流僅有700A，所以，電池供電很理想。內(nèi)部輸入保護可在40V內(nèi)而不受損壞。
INA128的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 INA128的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖增益設(shè)定
INA128的基本連接中用一個獨立的外部電阻RG可以獲得的放大倍數(shù)為：G=1+50kΩ/RG。
式中50kΩ為INA128內(nèi)部的兩個放大器反饋電阻之和，它們都經(jīng)過激光校正，具有很高的精度和很小的溫度系數(shù)，手冊給定的器件性能已經(jīng)包括了它們的影響。外接電阻的精度及溫度穩(wěn)定性直接影響增益，特別是增益較大時(G≥100)，連線及插口的電阻也會對增益帶來附加誤差。也就是說，式中的RG值應(yīng)為外接電阻與連線等雜散電阻的總和。
噪聲干擾
INA128的內(nèi)部噪聲很小，當(dāng)G≥100時，0.1Hz到10Hz的低頻噪聲輸出的電壓信號大約只有0.2μVp-p,這比目前最新的低噪聲斬波放大器還要小很多。為減小外部干擾和電源噪聲的影響，應(yīng)在緊靠電源引腳的地方接去耦電容器。
失調(diào)補償
INA128經(jīng)過激光校正，因此，失調(diào)和溫漂都很小，多數(shù)情況下無需調(diào)整，必要時可對電路進行外部補償。加電壓跟隨器將調(diào)零電路與儀表放大器加以隔離，維持引腳Ref的低阻抗，保證了放大器良好的共模抑制比。
共模輸入信號范圍
若輸入信號中的共模電壓過大時，會使輸入放大器飽和。在臨界飽和時，VO的輸出電壓為VO=VCM－VO/2。INA128的線性輸入范圍大約從電源-1.7V到+1.4V。對于確定的電源電壓，輸出電壓Vo越大，允許的共模信號越小。
低電壓運行
INA128的最大特點是適用的電源電壓范圍很寬。電源電壓從±2.25V到±18V變化時，大部分參數(shù)仍能維持很好的性能，其具體電路如圖6所示。
圖6 放大電路原理圖
濾波電路設(shè)計
壓力傳感器的信號經(jīng)過調(diào)平衡電路和儀表放大器之后為了達到比較理想的測量效果，往往還需要對信號進行濾波，去除信號中疊加的噪聲干擾。本文計劃采用二階壓控低通濾波器，實現(xiàn)對壓力傳感器信號的濾波。測量系統(tǒng)從傳感器拾取的信號中，往往包含噪聲和許多與被測量無關(guān)的信號，并且原始的測量信號經(jīng)傳輸、放大、交換、運算及各種其他處理過程，也會混入各種不同的噪聲，從而影響測量的精度。這些噪聲一般隨機性很強，很難分布于頻率域中某一特定的頻帶中。信號分離電路一般利用濾波器從頻率域中實現(xiàn)對噪聲的抑制，提取所需的測量信號，是各種測量系統(tǒng)中必可少的組成部分。在實際的測試系統(tǒng)中，如果要求我們放大的是微弱的小信號，在放大的同時一些干擾信號也隨之放大，嚴重的影響了我們的測試質(zhì)量，因此，需要對原始信號進行預(yù)處理。前置濾波電路(抗混疊濾波器)是我們削弱噪聲一種常用手段。濾波器的主要功能是讓指定頻段信號能較順利地通過，而對其它頻段信號起到衰減作用。在高沖擊場的測試中，前期需要抑制的主要是高頻信號，以避免在一定的采樣頻率下造成信號頻譜的混疊。需要設(shè)計低通濾波器來進行預(yù)處理。低通濾波器的作用是使高頻信號盡可能的衰減，而使有用的低頻信號順利通過。
濾波器的類型
按照所處理信號形式的不同，濾波器可分為模擬與數(shù)字兩大類。二者在功能特性方面，有許多相似之處，在結(jié)構(gòu)組成方面有又有很大的區(qū)別。前者處理對象為連續(xù)的模擬信號，而后者則為離散的數(shù)字信號。
濾波器對不同的頻率的信號有三種不同的選擇作用：
（1） 在通頻帶內(nèi)信號受到很小的衰減而通過。
（2） 在阻帶內(nèi)使信號受到很大的衰減而抑制。
（3） 在通帶和阻帶之間的一段過渡帶受到不同程度的衰減。
濾波器對不同頻率帶在全頻帶中分布的位置不同，可實現(xiàn)對不同頻率信號的選擇作用。根據(jù)所選擇的頻率濾波器四種類型即：高通、低通、帶通、帶阻。此外還有一種全通濾波器，各種信號都內(nèi)能夠通過，但相位有不通的變化，他實際是一種移相器。根據(jù)電路的組成又可以分為LC無源濾波器、RC無源濾波器、LC有源濾波器和RC有源濾波器。根據(jù)傳遞函數(shù)則可分為一階濾波器，二階濾波器和高階濾波器。
電源電路介紹與信號調(diào)理電路的仿真
任何電子設(shè)備都離不開電源，為了使壓力傳感器中的惠斯通電橋能夠正常工作，我們需要提供比較準(zhǔn)確的電源，并且其紋波電壓一定要非常小。
電源電路的作用
電源控制技術(shù)是放入式電子測試儀器實現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵技術(shù)。簡言之，即電路在需要工作時給其供電，在不需工作時斷電，減小電路無效操作時功耗的比例。此時系統(tǒng)有多種電源供電，采用單電池電源實現(xiàn)多分支電源網(wǎng)絡(luò)管理，使得系統(tǒng)各功能模塊的電源相對獨立供電，在不工作時可以分別斷電，以節(jié)省功耗，但此時需要注意帶電部分和不帶電部分的兼容問題。
電源芯片的選擇
目前比較常用的電源芯片有7325、7333、7350、AD587等，這些電源芯片分別能夠輸出穩(wěn)定的2.5V、3.3V、5V、10V電壓，通過旁路電容的設(shè)計，其紋波電壓較小，比較適合用來做電源控制電路。
電橋采用恒壓電源供電時必須保證供電電壓在采樣頻率，負載等諸多外部環(huán)境改變的情況下保持高度穩(wěn)定，在實際應(yīng)用中不使用專門的穩(wěn)壓電源很難做到這一點，因此，本設(shè)計中采用LP2987作為專門的電源。
信號調(diào)理電路的設(shè)計及仿真
仿真的過程可分為以下幾個步驟：
1.數(shù)據(jù)輸入：將用戶創(chuàng)建的電路圖結(jié)構(gòu)、元件數(shù)據(jù)讀入，選擇分析方法；
2.參數(shù)設(shè)置：程序會檢查輸入數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及電路中闡述的內(nèi)容對參數(shù)進行設(shè)置。
3.電路分析：對輸入信號進行分析，它是電路仿真的關(guān)鍵。它將形成電路的數(shù)值解，并將所得數(shù)據(jù)送到輸出極。
4.數(shù)據(jù)輸出：從測試儀器如示波器等上點獲得仿真運行結(jié)果。并進行分析。
圖7 濾波電路原理圖
圖8 電源電路的結(jié)構(gòu)圖
圖9 電橋供電電源
圖10 仿真電路圖
由于在仿真庫中無法找到INA128芯片，所以，根據(jù)該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可采取應(yīng)用具體芯片連接的方法進行放大部分的仿真。放大器由兩級串聯(lián)，前級是兩個同項放大器，為對稱結(jié)構(gòu)，輸入信號加在A1、A2的同項輸入端，從而具有高擬制共模干擾的能力和高輸入阻抗。后級是差動放大器，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出的方式，適應(yīng)對地負載的需要.其輸入基準(zhǔn)電壓值根據(jù)設(shè)計的需要值為125V。
(1)具體波形從濾波器可以看出輸入波形的幅度為20mV，偏置電壓值為0.25V，而輸出波形的幅度則為2.4V，約為輸入波形的幅度的100倍，與設(shè)計要求基本相一致。如圖11所示輸出波形為A通道，量程為2V/格。輸入波形為B通道，量程為2mV/格。
(2)從圖中我們可以看出：
a 幅頻特性：
如圖12，在截止頻率158.7KHz處，幅頻特性為3.024dB,在平直段則為6.032dB。3.024-6.032≈-3dB。
b 相頻特性 ：
由公式得抗混疊濾波器的截止頻率。仿真結(jié)果（圖13）中，相位在-90.17°處，頻率為159.4KHZ，與理論值160KHz近似相等。
圖11 輸入輸出波形圖
圖12 幅頻特性圖
圖13 相頻特性圖
電阻應(yīng)變傳感器設(shè)計：電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計..docx
電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計
題目 電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計
時間
班級 2014 級
姓名
它戶.
序號
指導(dǎo)教師
教研室主任
系教學(xué)主任
2016年 08 月
、, 、-
前言
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(zhǔn)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。
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(dāng)?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。
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(zhǔn)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。
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 。
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。
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)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。
目錄
TOC o "1-5" h z 1、課程設(shè)計目的和要求 1
2、課程設(shè)計任務(wù) 2
3、方案的選擇 3
3.1方案的制定 3
方案的確定 4
4、材料的選擇 6
彈性元件 6
彈性元件材料 6
彈性元件材料 7
應(yīng)變片的選擇 8
電阻應(yīng)變片類型的選擇 9
應(yīng)變計的材料 9
4.3 應(yīng)變計主要參數(shù)的確定 10
5、外殼尺寸確定 11
6、測量電路的設(shè)計與計算 12
電橋電路的設(shè)計與計算 12
交流電壓輸出電路 13
6.3放大電路 13
6.4濾波電路 16
6.6 數(shù)字顯示電路 16
7、誤差來源與精度分析 18
8、相關(guān)元器件的確定 19 參考資料 --
20 心得體會 21 附錄一 常用芯片引腳圖 22 附錄二 傳感器電路處理總圖 25 附
錄三 傳感器外觀設(shè)計圖 26
錄三 傳感器外觀設(shè)計圖
26
1、課程設(shè)計目的和要求
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。
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。
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(biāo)準(zhǔn)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。
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(biāo)準(zhǔn)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。
2、課程設(shè)計任務(wù)
題 目 : 基于電阻應(yīng)變片的壓力傳感器設(shè)計 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。
要 求：
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；
選取適當(dāng)形式的彈性元件，完成其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇
