传感器 课程设计报告
学 院：力学与光电物理 专 业：应用物理14-1 姓 名: 史高强 学 号：2014305063 指导老师：李 洋
2016年12月28日
一、 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、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，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。
三、电阻应变式测力传感器部分的设计： （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 σ= 则应变为
ε=σE6Lb0h2∙W （1） =6L b0hE∙W （2）
式中 W——被称物体重力； h——梁厚度； b0——固定端宽度； L——梁长；
E——弹性模量。
根据式（1）和强度理论，可写出强度条件： σ=6L
b0h∙W≤ σ （3）
式中 σ ——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 ∆RU0=Us∙
3因此，电桥输出电压U0与R∆R桥非线性的影响，也消除了温度误差的影响。输出电压比单臂电桥增大四倍，灵敏度也提高4倍。
（3）温度误差及其补偿 1、温度误差：
由于测量现场环境温度改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生温度误差的主要因素有以下两点。a.电阻温度系数的影响。b.试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。
2、温度补偿方法：
电阻应变片的温度补偿方法通常有电桥补偿和应变片自补偿两大类。
a.电桥补偿法，也称补偿片法。电桥补偿法的优点是简单、方便，在常温下补偿效果较好，其缺点是温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。
b.应变片的自补偿法。粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。
c.热敏电阻补偿法。热敏电阻处在于应变片相同的温度条件下，当电桥的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿应变片温度变化引起的输出下降。 （4）半导体应变片参数选择：
半导体应变片常采用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，其使用方法与金属应变片相同。其电阻变化与应变之间的公式如下
∆R=πlEε 式中 πl——纵向压阻系数； E——弹性模量； ε——应变。
设应变片灵敏系数K0=πlE，则
∆R=K0ε 因此，电桥的输出电压为
∆RU0=Us∙=UsK0ε 按照该设计要求，因此选择铂式应变片。因为铂式应变计具有以下的优点： 1易批量生产，电阻均匀，离散性小，可根据需要制成任意形状； ○ 2可制成长度很小的应变计，L可为0.2mm； ○ 3表面积大，散热性好； ○
4厚度比丝式薄，所以挠性好，扁平形状的栅有利于变形的传递； ○
5蠕变小，疲劳寿命高； ○ 6应用普遍。 ○
因此，根据后续电路对输入信号幅值的要求，选择型号为BE350—3AA80X。其中：B——铂式；E——酚醛，缩醛；350——电阻值为350Ω；3——表示敏感栅长度为3mm；AA——表示敏感栅结构形式为单轴片；80——表示极限工作温度为80℃；X——表示接线方式为标准引线焊接方式。 （5）电阻应变片的粘贴以及接线方式：
将四只半导体应变片用黏结剂贴在弹性元件等强度梁上（如下图所示），并连接成全桥，就构成了一个完整的电阻应变测力传感器。粘贴质量对传感器的性能起到非常关键的作用，可分为如下操作步骤：
a． 准备：先用四氯化碳清洗弹性元件表面，用砂布打出与轴向成45°角的交叉网纹，打磨至Ra=6.3μm的粗糙度。
清洗净打磨面，确定贴片坐标线，均匀涂一薄层黏结剂作底。对应变片外表和阻值进行检查核对，刻划轴向标记并清洗。 b． 涂胶：在准备好的试件表面和应变片基底上均匀涂一薄层黏结剂。
c． 贴片：将涂好胶的应变片与弹性元件，按坐标线对准贴紧，去除气泡和多余胶液，进行固化处理。
d． 复查：贴片偏差应在许可范围内；阻值变化应在测量电路预调平范围内；引线和试件间的绝缘电阻应大于200MΩ。
e． 接线：根据工作条件选择好导线，然后通过中介接线片（柱）把应变片引线和导线焊接，并加以固定。 f．
防护：在安装好的应变片和引线上涂上防护层（环氧树脂、清漆、氯丁橡胶等），以保证应变片工作性能稳定可靠。 四、电阻应变式测力仪电路设计： （1）供电电源设计：
称重传感器的电源是由三端稳压块MC7815、MC7915组成的±15V电源。由2个OP−07和互补对管D356和C608组成称重传感器的第二级稳压电源，如图
1±15V的三端稳压集成电路作4所示。这一级起到高精度稳压作用，其原理是：○
2选用低温漂特性的运放OP−07，以降低运放受温度影响所产为预稳压电源。○
3从图4可见U2、U3两个运放的输入端均接于精密电压基准源生的温漂。○
MC1403的输出端上而被钳位，可以认为U2、U3输出电压的误差不会来自输入端。4D536与C608是一对互补对管，U2、U3的负反馈电路分别通过这对互补管得○
发射极。当温度上升时，U2的输出电压上升，D536的Vbe上升，IAB上升。但是U3的输出电压也随之上升，导致C608的Vbe电压下降，Rec增大，使IAB下降，VAB维持
5由于正负三端稳压电源的作用，以及由U2、N1和了动态平衡；反之亦然。○
U3、N2组成的对称电源结构，称重传感器电桥在无负载时，Vc=0，VD=0。并且由于高阻抗使电桥产生浮地效果，完全免除地线带来的干扰。
经上述处理使传感器电桥电压达到十分稳定的效果，如果电桥的四臂应变片的阻值相等，由于受到压力使电桥的对臂阻值同时增大和减小，则电桥电压的精度将直接传递到电桥输出端。
（2）称重传感器调零电路：
图4中标ABCD部分是称重传感器全桥电路。电桥输出端对角线上接一个10KΩ电位器，滑动端通过100KΩ电阻接于电桥电源负端。这是为了克服制造工艺不完全对称性而设计的，同时兼做去皮重电路。调节R9可使VAB电位差等于10V，VCD的输出范围为0～15mV。 （3）放大电路：
放大电路是由4个ICL7650组成差分输入单端输出的专用仪表放大电路。
1采用ICL7650斩波自稳零高精度放大器，放大电路主要特点是：○能比较好地抑
2双端输入分别进入测量放大器的同相端，所以输入阻抗大，制共模电压干扰。○ 3极低的温漂系数。○4
加一级低通有源能够克服电桥传感器输出阻抗低得特点。滤波器以滤除由于放大器ICL7650内时钟斩波频率引起的尖峰脉冲干扰。 调整R13使放大倍数为 R182R14G= 1+ =250 1613
（4）V F转换电路：
在图4中V F转换电路时一块QD4703厚膜电路，输入电压为0～5V，输出频率为0～50KHz，非线性误差为±0.02%。称重传感器V F转换电路可方便的与微机接口，简化为单片机电路，只占用单片机的一位I O口。来自放大器的输出信号经过一级低通滤波器滤除放大器的尖峰脉冲，再进行V F转换，V F对输入信号是一个积分的过程，同时也对窜入V F输入端的干扰信号进行积分，因而对干扰信号起平滑作用。在V F转换器的输出端输出0～5V标准矩形波频率信号，在传输线上的干扰信号，会叠加在矩形波上，那么只能使矩形波发生形变，但不会改变波形的有效值，更不会改变输出频率，有利于远距离传送。V F转换的转换分辨率高，为5V 25KHz=0.2mV/Hz，而12位A/D的分辨率为5V 4098= 1.2mV/Hz。图4中R24为调零电位器，R23为调满量程电位器。先使QD4703的脚2输入10mV电压，调R24使脚7输出为f=100Hz，然后输入5V调R23使输出f=50KHz，一般反复调几次，可得到满意结果。双J-K触发器74HC76接成二
分频电路，视具体情况而使用。
（5）波形整形输出级：
称重传感器V F转换电路的最后一级是波形整形输出级，这一级由一片六反相MC14049构成。为了提高驱动能力把反相器的6个输入端和6个输出端分别按并联方式连接。至此完成了从称重传感器的十几毫伏的模拟信号经过一系列措施到六反相的输出端变成0～5V的标准频率信号输出的过程。输出信号可直接送到单片机。 （6）单片机电路：
单片机电路原理图如图5所示。U1为单片机芯片ATC52工作于11.0592MHZ时钟，它的P3.5脚（定时/计数器1的外部脉冲输入端）和频率信号相连，对脉冲序列计数，以获取频率信息，从而转换为重量值。U1的P0口和P2口是数码管显示电路的接口，其中，P0口为8位段码，P2口提供5位位码（5位7段数码显示）。
五、电子元器件参数：
六、设计总结：
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，
也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程． 通过这次传感器设计，本人在多方面都有所提高。通过这次传感器设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次应变式测力仪的实际训练从而培养和提高学生工作能力，巩固与扩充了传感器设计等课程所学的内容，掌握传感器设计的方法和步骤，同时各科相关的课程都有了全面的复习，思考的能力也有了提高。 在此感谢我们的指导老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、
学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 同
时感谢帮助过我的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指
教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。 参考资料
[1] 单成祥主编. 《传感器设计基础》. 国防工业出版社，2007.9
[2] 何金田主编. 《传感器原理与应用》哈尔滨工业大学出版社，2009.1
[3] 徐科军主编.《传感器与检测技术》.电子工业出版社，2008.2
[4] 赵燕主编.《传感器原理及应用》.北京大学出版社，2010.
[5] 王云章主编.《电阻应变式传感器应用技术》.机械工业出版社，1991.
