传感器课程设计.doc

《传感器课程设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器课程设计.doc（41页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 课课 程程 设设 计计 课程名称 传感器设计与实践 题目名称 应变式荷重传感器及电路转换设计 学生学院 信息工程学院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 20010 年 6 月 28 日 2 广东工业大学课程设计任务书 “传感器设计与实践”之二 题目名称 应变式荷重传感器及转换电路设计 学生学院 信息工程学院 专业班级 姓 名 学 号 一、课程设计的内容 通过设计型实验，掌握传感器设计的一般过程与步骤。具体内容包括：了 解荷重测量的一般方法；制定利用应变式传感器测量荷重的方案；利用工程力 学和传感器知识进行必要的理论分析与计算；利用 CAD 软件进行荷重传感器 的结构设计与零件设计；设计传

2、感器转换电路，并进行电路调试或仿真。 二、课程设计的要求与数据 1、本实践环节，采用以教学辅导、学生自主设计、自主实验的教学形式。 2、传感器技术参数： 测力范围：11031105 N； 称量精度：1 % 3、要求设计说明书字数不少于 5000 字。 三、课程设计应完成的工作 1、了解荷重测量的一般方法，制定利用应变式传感器测量重物的方案； 2、进行必要的理论分析与计算，确定传感器基本尺寸； 3、应变式荷重传感器结构设计；绘制传感器装配图和部分零件图； 4、传感器转换电路的设计和仿真调试； 5、编制设计说明书。 3 四、课程设计进程安排 序号设计各阶段内容答疑地点起止日期 1 布置设计任务。学

3、生查找相关资料教 3-112 6 月 21 日 2 选定传感器型式和结构方案；进行相关理论分 析与计算；确定传感器主要结构尺寸 工学 1#-107 6 月 2123 日 3 传感器主要结构设计，装配图、零件图的设计工学 1#-107 6 月 2526 日 4 根据所设计的传感器结构，设计转换电路宿舍 6 月 27 日 5 传感器测量转换电路仿真调试宿舍 6 月 28 日 6 传感器制作工艺研究工学 1#-107 6 月 29 日 7 撰写设计说明书宿舍 6 月 30 日 8 分组答辩工学 1#-107 7 月 1 日 五、应收集的资料及主要参考文献 1、李科杰新编传感器技术手册（M） 国防工业

4、出版社，2002 年 2、强锡富传感器（第 3 版） （M） 机械工业出版社，2001 年 3、丁镇生传感器及传感技术应用（M） 电子工业出版社，1999 年 4、黄继昌传感器工作原理及应用实例（M） 人民邮电出版社，1998 年 5、陈尔绍传感器实用装置制作集锦（M） 人民邮电出版社，2000 年 6、黄贤武传感器实际应用电路设计（M） 电子科技大学出版社，1997 年 发出任务书日期：2010 年 6 月 21 日 指导教师签名： （骆德汉、黎勉） （陈益民、查晓春） 计划完成日期： 2009 年 7 月 2 日 基层教学单位责任人签章： 主管院长签章：主管院长签章： 4 目录目录 1.1

5、.压力测量的一般方法的比较与选定压力测量的一般方法的比较与选定 3 3 1.1 压阻式传感器.4 1.2 压电式传感器.5 1.3 电容式传感器.6 1.4 应变式传感器.7 1.5 电感式压力传感器 .9 2.2.方案制定方案制定 1111 2.1 轮辐式传感器11 2.2 梁式传感器12 2.3 环式传感器13 2.4 柱式传感器14 3.3.弹性元件弹性元件 1717 3.1 弹性元件的材料17 3.1.1 弹性元件的要求 17 3.2 弹性元件的选择18 3.2.1 常见的弹性元件 18 3.2.2 硬化不锈钢材料介绍.18_Toc205028166 3.3 弹性元件的分析和计算19

6、3.3.1 弹性元件的参数计算 19 3.3.2 截面积的计算 20 3.3.3 柱高 h 及其他尺寸的确定 21 4.4.电阻应变片的选择电阻应变片的选择 2222 4.1 电阻应变片类型的选择22 4.2 应变计的材料22 4.2.1 应变计敏感栅的材料 22 4.3 应变计主要参数的确定24 4.3.1 几何尺寸 24 4.3.2 金属箔式应变片 25 4.3.3 基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数： 25 5.5.外壳尺寸确定外壳尺寸确定 2626 6 6 测量电路原理分析及设计测量电路原理分析及设计2727 6.1 电阻应变式传感器测量电路的各组成电路：27 5 6.1.1 电

7、桥电路： 27 6.1.2 调零电路： 27 6.1.3 手动调幅可调电路: .28 6.2 用 MULTISIM实现的转换电路图：.29 6.3 参数选定：29 6.4 关键点理论值与模拟值的计算30 6.5 用 MATLAB 实现的 FV 曲线对比 31 7.7.总结与致谢总结与致谢 3333 8.8.主要参考文献主要参考文献 3434 9.9.附录附录 3434 6 1.1.压力测量的一般方法的比较与选定压力测量的一般方法的比较与选定 压力传感器应用广泛、影响面宽，不只可以测量力和压力，也可用于测量负荷、加速 度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它们都与机械应力有关，所以把这类传感器称为力

8、 学量传感器。传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，其特点是成本 低、不需要电源，但体积大、笨重、输出为非电量。普遍应用的有压阻式、压电式、电容 式、电阻式、电感式等等。近几年又发展了微波传感器、超声波传感器、生物传感器、视 觉传感器、光纤式传感器等传感器。以下分别介绍一般常用的传感器。 放大输出型标定级饼型 微型超小型罐筒型 同轴嵌入型圆环柱型条型 Z 型S 型汽车工业用 表 1.1 荷重传感器主要类型 7 1.1 压阻式传感器 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这 种效应特别强。其中半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成 P 型和

9、N 型半导体。 压阻式传感器便是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。 利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做 成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩 散型压阻传感器。压阻式传感器灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。它主要用 于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的 温度误差较大，必须要有温度补偿。图 1.1 为两种微型压阻式传感器的膜片 图 1.1 两种微型压阻式传感器的膜片 图 1.2 压阻式传感器实物图 8 1.2 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器以

10、某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。按转换方 式可以分为正压电效应和逆压电效应。当某些物质在外力作用下变形时，某些相应表面上 就会产生异种电荷，去掉外力后又回到不带电状态。这种没有外电场只是形变产生的极化 现象称正压电效应。在这些物质上施加电场时不仅产生极化同时还产生了应力或应变，去 掉电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能变成机械能的现象称逆压电效应。压电式 传感器的工作原理是以物质的压电效应为基础，它是一种发电式传感器。 由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要功能，加上它的体积小，重量轻，结构 简单，工作可靠，固有频率高，灵敏度和信噪比高、动态特性好、耐高温等优点，因此

11、， 30 多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。 压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，许多压 电材料的工作温度只有 250 度左右。 按弹性敏感元件和受力机构的形式，压电式传感器可分为膜片式和活塞式两类。图 1.2 为膜片式压电传感器 图 1.3 膜片式压电传感器 图 1.4 压电传感器实物图 9 1.3 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有 可变参数的电容器。 电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。随着电 子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以

12、克服，而且还开发出 容栅位移传感器和集成电容式传感器。因此它广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成 分含量等测量之中。 电容式传感器的基本原理可以用平板电容器说明。当忽略边缘效应时，其电容 C 为： C= SS or 式中 ，S 和 ，中的某一项或几项有变化时，就改变了电容 C。 和 S 的变化可 以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化； 的变化则可反 映液面高度、材料厚度等的变化。 实际应用时，常常仅改变 、S 和 之中的一个参数来使 C 发生变化。所以电容式传 感器可分为三种基本类型：变极距(变间隙)()型（如图 1.5 所示） ，变介电常数()型 （如图 1.6

13、所示）和变面积型（S）型（如图 1.7 所示） 。 A B d0 d1 0 1 图 1.6 变介电常数型电容式传感器 d0 图 1.5 变极距型电容式传感器 d a b x (a)角位移式 (b)直线位移式 图1.7 变面积型电容式传感器 10 图 1.8 电容式传感器实物图 11 1.4 应变式传感器应变式传感器 应变式传感器也称应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应,将测量 物体的变形转换为电阻变化的传感器。现已广泛应用于工程测量和科学实验中。 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻 的电阻应变效应。 设有一根长度为 L 的，截面积为 S，

14、电阻率为 的金属丝，在未受力时，原始电阻为： R= S L 当金属电阻丝受到轴向拉力 F 作用时，将伸长 L，横截面积相应减小 S， 电阻值 R 的变化引起电阻的相对变化为： 由材料力学知： 其中： -沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关； E-弹性模量； -材料所受应力。 忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下： = 0 )21 (2kEE R R 0 k L L 可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。 应变式传感器类型有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。 特点： 可测微应变 1-2m，且精度高、性能稳定； 尺寸小、重量轻、结构简

15、单，响应快； 测量范围大； 环境要求不高； 便于多点测量。 E L L r r F L L 图 1.9 金属电阻应变效应 12 图 1.10 电阻应变片组成图 图 1.11 应变式传感器实物图 1.5 电感式压力传感器电感式压力传感器 在电感式压力传感器中，大都采用变隙式电感作为检测元件，它和弹性元件组合在一 起构电感式压力传感器。检测元件由线圈、铁芯、衔铁组成，衔铁安装在弹性元件上。在 衔铁和铁芯之间存在着气隙 ，它的大小随着外力 F 的变化而变化。其线圈的电感 L 可按 下式计算，即 L=N2Rm 式中 N 为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻(1H)，表示物质对磁通量所呈现的阻力。磁通 量的大小

16、不但和磁势有关，而且也和磁阻的大小有关；当磁势一定时，磁路上的磁阻越大， 则磁通量越小。磁路上气隙的磁阻比导体的磁阻大得多。假设气隙是均匀的，且导磁截面 与铁芯的截面相同，在不考虑磁路中的铁损时，磁阻可表示为： Rm= AA 0 21 式中 l 为磁路长度(m)； 为导磁体的导磁率(Hm)；A 为导磁体的截面积(m2)； 为气隙 |量(m)；0为空气的导磁率(410-7Hm)。 由于 02D+L (3-7) 式中 L 为应变片的基长。对于空心的圆柱为 HD-d+L (3-8) 因此，经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。 3.5.23.5.2 截面积的计算截面积的计算 根据上表可以比较, 本次的传

17、感器采用不锈钢 ICr18Ni9, 查表得 s=1200MPa，E=200GPa。 根据许用应力计算公式 = ，当安全系数取 2 得： s s n s n MPa MPa ns s 600 2 1200 根据公式 (3-5) 得： 2 7 max22 1 17 1060 10000 )( 4 mm F dDS 又因为应变片的应变比为 800-2000,取 0=1000 当弹性体的应变比 1小于 c 才不至于损坏应变片 ，得到以下关系式： 1=0 P 2 69 0 max 2 0 . 50 10100010200 10000 mm E F S 当弹性体的截面积同时大于 S1 ，S2 时才能满足整

18、体的设计要求。 =maxS1 ，S2= S 2 0 . 50 mm 为了使传感器过载 50%时不至于损坏可是当增大其面积： 22 7550%501mmmmS 弹性元件的外径 D 不能选择太小，否则会由于力的偏心造成很大的误差。在实际计算 时先按照额定载荷 F，根据材料的参数求得=600MPa，取 D=3.0cm 并由式(3-6)得： 25 4 2 F Ddcm96 . 2 10600 100004 1030 6 2 2 取 d2.8cm 这样空心管的壁厚为： tcmdD1 . 0)( 2 1 3.5.33.5.3 柱高柱高 h h 及其他尺寸的确定及其他尺寸的确定 为了防止弹性元件受压时出现失

19、稳现象，柱高 H 应当选得小些，但又必须使应变片能 够反映截面应变的平均值，这里选用弹性元件工作段的长度为： cmDH5 . 76)5 . 22( 取 H7cm 由于壁很薄，还必须检验是否会出现局部失稳。薄壁管的失稳临界应力公式为： )1 (3)( 2 1 2 lim dD Et 4130 )272 . 0 1 (3108 . 20 . 3 2 1 101 . 010200 22 29 在超过满量程 150%的情况下，弹性元件截面中的应力为： MPa A F 59 108 . 23 4 100005 . 15 . 1 422 因此，受力超过满量程的 150%时的应力还远远小于材料的比例极限和临

20、界应力这表 明该元件不会出现弹性失稳。 此外，在两端需有螺纹孔，以便连接螺栓，选用螺孔为 M6，它的许用载荷大于 10000N。 26 4.4.电阻应变片的选择电阻应变片的选择 4.14.1 电阻应变片类型的选择电阻应变片类型的选择 电阻应变计简称应变计（亦称为电阻应变片或简称应变片） 。它由四个部分组成。 第一是电阻丝（敏感栅） ，它是应变计的转换元件。 第二是基底和面胶（或覆盖层） 。基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上 的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。 第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。 第四是引出线，它作为联结测量导线之用。

21、电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。由于电阻 丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。金属 薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。故选用金属箔式应变片。 箔式应变片的主要优点： (1)本身性能稳定，受温度变化的影响小； (2)使用温度范围比较宽，在-269+350 度范围内稳定工作； (3)适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便； (4)价格便宜。 (a)单轴的 (b)测扭矩的 (c)多轴的(应变花) 图 4.1 各种金属箔式应变片 4.24.2 应变计的材料应变计的材料 4.2.14.2.1 应变计敏感栅的材

22、料应变计敏感栅的材料 (1)材料的选用原则 应变计敏感栅合金材料的选择对制作应变计性能的好坏起着决定性的作用，因此对制 作应变计所用的应变电阻合金有以下的要求： 27 a 有较高的灵敏系数； b 电阻率高； c 电阻温度系数小，具有足够的热稳定性； d 机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强； e 与其它金属接触的热电势小； f 与引出线焊接容易。 (2)常用的应变计材料 目前国内还没有一种金属材料能满足上述全部要求，因此在选用时，只能给予综合考 虑，常用的有康铜、镍铬、卡玛合金、镍铬硅锰等合金。其各自性能分别如下： a 康铜: 电阻温度系数较小而且稳定，同时它的 K

23、o 值对应变值的稳定性非常高，不但在变形 的弹性范围 Ko 保持为常熟，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。所以用康铜作为敏感 栅的音变机，测量范围大，可用于大应变测量（达 22） 。 对康铜用不同的方法进行加工、不同的热处理、或者改变合金成份的比例，可以改变 它的电阻温度系数（由负值到正值有较大的范围） ，利用这种特性可以制造温度自补偿应变 计。在静态应变测量时，康铜的工作温度达 300C，在动态测量时，可用到 400C。它可 以在高的流体径压力下和核辐射的环境下工作。 b 镍铬合金: 具有较高的电阻率，适于制造小标距的应变计。但电阻温度系数较大，主要用于动态 应变测量，使用温度可达 800

24、C。 在镍铬合金中加入少量的其它金属或元素，可以改善合金的性能。例如掺入少量的铁、 铝可制成卡玛合金（6J22） ，掺入少量的铜、铝可制成 6J23，使电阻率提高和降低电阻温 度系数，是指成为更好的适于静态测量的材料。 c 铁铬铝合金: 其电阻率较高，灵敏系数较大，而电阻温度系数比镍铬合金小得多，比铜镍合金大。 d 铁镍铬合金: 灵敏系数较高，可达 3.6。但由于它的电阻温度系数大（比康铜大 6 倍以上） ，同时 Ko 值在弹性范围和塑性范围时不一样（分别为 3.6 和 2.5） ，使其应用范围受到限制，它值适 用于动态测量。 结论结论：综上所述，本课程设计采用的材料是康铜。 28 4.34.

25、3 应变计主要参数的确定应变计主要参数的确定 4.3.14.3.1 几何尺寸几何尺寸 几何尺寸在能够使得弹性元件的应变得到充分响应，即可选用。根据经验安全系数 ns=2。因为所选的为塑性材料， 则许用应力 MPa ns s 600 2 101200 6 根据 =E 得： 4 11 6 1 1030 1000 . 2 10600 E 因为756 . 0 10301201 . 2 4 1 RSR gS 根据，且=2，=0.756，=120， S S SS R R K S K S R S R 所以有 4 10 5 . 31 2120 756 . 0 SS S S KR R 所以 4 2 10 5 .

26、 31 S 因为 ；所以应取 进行计算。 1 2 1 4 10 0 . 31 传感器受压轴的截面面积为： 24 411 1 1016 . 0 10311000 . 2 10000 m E FF A 因为受力面积较小，故受压轴使用圆筒(空心柱式)式结构。 传感器的灵敏系数的确定（检验应变片的灵敏度是否符合要求） 根据公式： )2( 1 1 EA KF S 3 10 其中： 为材料的泊松比；F 为传感器的额定负荷；K 为应变片的灵敏系数；E 为材料的 弹性模量；A1为弹性元件贴片部位的截面积。有HDA 1 得此传感器的灵敏系数为： )2( 1 1 EA KF S 698. 010 1000 . 2

27、 108 . 234/14 . 3 2 100000 . 2272. 01 10 3 11422 3 ）（ 29 因为 SSg 所以应变片的灵敏度符合要求。 4.3.24.3.2 金属箔式应变片金属箔式应变片 箔式应变计的敏感栅是用厚度为 0.0020.005 毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔， 采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成。基底是在箔的另一面涂上树脂胶，经过 加温聚合而成，基底的厚度一般为 0.030.05mm。 图4.2应变计的结构 图4.3 敏感栅的尺寸 4.3.34.3.3 基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数：基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数： 型号敏感栅尺

28、寸（宽长） mmmm 材料阻值灵敏度 K基底 PB-53*5 箔式 120 2.02.2缩醛胶基 表 4.1 PB-5 应变片参数 30 5.5.外壳尺寸确定外壳尺寸确定 综合上述分析计算，次课程设计选用 sf-6 柱式荷重传感器 图 5.1 sf-6 柱式荷重传感器实物图 表 5.1 sf-6 柱式荷重传感器外形尺寸 量程量程 11223344H1H2SR 4M 0.1t264854327054265 0.7t264854327054265 1t306464409070356 5t306464409070356 10t45848852130105558 20t4584885213010555

29、8 25t55104108701501206010 30t55104108701501206010 31 6 6 测量电路原理分析及设计测量电路原理分析及设计 6.16.1 电桥电路设计电桥电路设计 6.1.16.1.1 电桥电路原理电桥电路原理 应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化 R/R,还要把电阻的变化再转 换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。 由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变化范围也很小，直接 测量出这一微小变化比较困难，所以一般利用桥式测量电路来精确测量出这些 小的电阻变化。 电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小， 可以认为电源

30、供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电 压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压 V0为零的条件是： R1R3=R2R4。 图 2 当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大 很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即 R1R3R2R4时， 电桥输出： 32 U RRRR RRRR U )( 4321 4231 0 恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输 出有关。 单臂电桥时，令 R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4 为定值电阻，在应变片 R1 工作时， 其电阻 R1 变化R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/

31、4 电压输出为: UO=(U/4)(R1/R1) 6.1.26.1.2 非线性误差非线性误差 电桥电路的非线性误差为：L=R1/2R 上面各式表明，当电源电压 U 及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电 压灵敏度将与各臂阻的大小无关。 直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单， 传感器及测量电路分布参数影响小，测量中常用直流电桥。 为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：采用差动电桥；采用恒 流源电桥。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变 片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为： UO=UR/R 所以，本设计所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高

32、电桥灵敏度或进 行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。 此外，由于在零压力时，传感器大约有 2mV 的不平衡输出，并且放大器有 输入失调电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调整。通过改变电位器的值， 可改变补偿电压的大小，以使得零压力时 U0=0V，为了保证足够的调整精度，电 位器为多圈电位器。 6.26.2 转换电路和信号放大电路转换电路和信号放大电路 来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压） 。一般采 用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称， 运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外 接电阻对称精度有关，又与运算放大

33、器本身的共模抑制能力有关。一般运算放 33 大器共模抑制比可达 80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路， 共模抑制比可达 100120dB。 结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大 电路。具体的电路如图所示 本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路， 三就是增益放大电路，这里面还包括共模抑制电路。 6.2.16.2.1 电桥转换电路电桥转换电路 电阻应变片的电阻 R1,R2,R3,R4 的电阻都为 350 欧。由这四个电阻组成一 个全桥放大电路。 34 6.2.26.2.2 放大电路和共模补偿电路放大电路和共模补偿电路 它由三个

34、集成运算放大器组成，其中 N1，N2 为两个性能一致（主要指输入 阻抗，共模抑制比和增益）的同向输入通用集成运算放大器，构成平衡对称 （或称同向并联型）差动放大输入级，N3 构成双端输入单端输出的输出级，用 来进一步抑制 N1，N2 的共模信号，并适应接地负载的需要。 由输入级电路可写出流过 R6，R7 和 R14 都电流 IR为 IR=(U02-Ui2)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14 由此求得 U01 =（1R6/ R14）Ui1R6 Ui2/ R14 U02 =（1R7/ R14）Ui2R7Ui1/ R14 于是，输入级的输入电压，即运算放大器 N2 与 N1

35、 输出之差为 U02U01 =1（R6R7）/ R14（Ui2-Ui1） 其差模增益 Kd为 Kd（U02U01）/（Ui2-Ui1）1（R6R7）/ R14 由上式可知，当 N1,N2 性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与 35 差模输入电压有关，而与共模输出，失调及漂移均在 R14 两端相互抵消，因此 电路具有良好的共模抑制能力，又不要求外部电阻匹配。但为了消除 N1，N2 片 偏置电流等的影响，通常取 R6=R7.另外，这种电路还具有增益调节能力，调节 R14 可以改变增益而不影响电路的对称性。 根据共模抑制比定义，可求得输入级的共模抑制比为 CMRR12=CMRR1CMRR2/

36、CMRR1-CMRR2 式中的 CMRR1、CMRR2分别为 N1、N2 的共模抑制比。 当 R10=R11、R12=R13时，运算放大器 N3 的差模增益为 Kd3R12/R10 整个电路的共模抑制比为 CMRR=(KdCMRR3 CMRR12)/( KdCMRR3+ CMRR12) 式中 CMRR3运算放大器 N3 的共模抑制比 为了获得高的共模抑制比，必须选取集成运算放大器 N3 具有高的共模抑制 比，同时精选外接电阻，尽量使 R10=R11、R12=R13精度应控制在 0.1内。而且 通常将输入级的增益 Kd 设计得大些，输出级的增益 Kd3 设计得小些。这种电路 由于 N1,N2 的

37、隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的 匹配精度，提高整个电路的共模抑制比 CMRR120dB，共模输入电压范围为 610V，总增益 110000（Rp 为几十至几百欧姆） 。 如果在 N3 的两输入端之间接入共模补偿电路，则可补偿电阻的不对称， 获得更高的共模抑制比。改变 R15 阻值可将共模增益调整到最佳点。 它的原理是由运放 U1，U2 组成第一级差分式电路，U3 组成第二级差分式电路。 在第一级电路中，V1，V2 分别加到 U1 和 U2 的同相端，R6,R7 和 R14 组成的反 36 馈网络，引入了深度的电压串联负反馈，两运放 U1，U2 的两输入端形成虚短和 虚

38、断,按照上面的分析，可以计算出： 差模增益 Kd 为 14 76 1 R RR Kd 运算放大器 U3 的差模增益： 10 12 3 R R Kd 电路的放大增益为：)1 ( 14 76 10 12 3 R RR R R KKA dd 所以设计的放大电路的放大倍数为：，试验中，这)1 ( 14 76 10 12 R RR R R A 个实验可以调节 R14,R15 同时改变，达到调节增益的目的。而且放大增益很大， 有很宽的调节范围。 6.2.36.2.3 电路调零调幅电路电路调零调幅电路 如图所示，通过调节 R5 可以调节电桥的供电电压，并且可以在任何时候把 电路调零，所以该电路称为调零调幅电

39、路。电路图如下： 37 此电路灵敏度很大。 6.36.3 各部件之间的输入输出关系各部件之间的输入输出关系 6.3.16.3.1 电桥放大电路各元件参数及其输出电压的计算电桥放大电路各元件参数及其输出电压的计算 根据上述对运算放大电路分析，其输入级的差模增益的， 14 76 1 R RR Kd 。 10 12 3 R R Kd 为使电桥放大电路的输出电压范围保证在 010V 之间，以便后接仪表或为 A/D 转换所用，则电桥放大电路的差模增益应该为 KdKdKd3=180 左右。由 于根据本设计的技术要求与性能指标，可确定电桥放大电路各元件参数如下所 示： R6()R7()R10()R12()R

40、14() 100K100K20K40K2.25K 由上表计算可得出 180) 25 . 2 100100 1 ( 20 40 )1 ( 14 76 10 12 3 K KK K K R RR R R KKA dd 因此，当电桥供电电压 U=12V 时，电桥放大电路的输出电压范围为： 受拉时，UoAUid180（5.356853.568）mV0.9642249. 64224V 其中，Uid 为电桥输出电压。 理论计算： 当压力 F=100N 时，有： MPaPaPa bh Fl 88.46 1048 25 . 2 )102(1012 105 . 710033 9233 3 2 3 102232

41、. 0 210 88.46 GPa MPa E 15624 . 0 102232 . 0 3500 . 2 3 RKR 43 10464 . 4 102232 . 0 2 R R K 电桥输出： VUUm3568 . 5 V10464 . 4 12 R R 4 0 全桥 38 运放输出： VmVmVU964224 . 0 224.9643568 . 5 180UA 全桥运放 同理，当压力 F=1000N 时，有: , , Mpa 8 . 468 3 10232. 2 5624 . 1 R , VUm568.53 全桥 VU64224. 9 运放 其它依次类推可以求得。 下面是我的一个数据测量表

42、：这个数据表在和前面不同的电桥供电电压下 测到的。 39 被测压力 （N） 应变片的变 化量 )(R 电桥输出电 压理论值 （mV） 电桥输出电 压实测值 （mV） 放大电路输 出理论值 （V） 放大电路输 出实测值 （V） 10000.0130.86670.84680.14560.1430 20000.0261.73331.69480.29120.2852 30000.0392.60012.54480.43680.4275 40000.0523.46683.38740.58240.5698 50000.0654.33354.23480.72800.7121 60000.0785.20025.

43、08180.87360.8543 70000.0916.06695.9321.01920.9968 80000.1046.93366.77581.16481.1398 90000.1177.80037.62181.31041.2818 100000.1328.66675.59881.45601.4456 6.46.4 用用 MATLABMATLAB 实现的实现的 FVFV 曲线对比曲线对比 f=1000:1000:10000; v1=0.8667 1.7333 2.6001 3.4668 4.3335 5.2002 6.0669 6.9336 7.8003 8.6667; V1=0.8468

44、1.6948 2.5448 3.3874 4.2348 5.0818 5.932 6.7758 7.6218 8.5988; subplot(121); plot(f,v1,f,V1,r-); xlabel(F/N );ylabel(mV );title(电桥输出的理论曲线与模拟曲线对比 F-V 图); text(1000,4.5,实线为理论曲线) grid; v2=0.1456 0.2912 0.4368 0.5824 0.7280 0.8736 1.0192 1.1648 1.3104 1.4560; V2=0.1430 0.2852 0.4275 0.5698 0.7121 0.8543

45、 0.9968 1.1398 1.2818 1.4456; subplot(122); plot(f,v2,f,V2,r-); xlabel(F/N );ylabel(V );title(差动输出的理论曲线与模拟曲线对比 F-V 图); text(1000,0.7,实线为理论曲线) grid; 40 图 6.7 FV 曲线 7.7.总结与致谢总结与致谢 1通过这次课程设计，我对传感器设计基础知识复习了一遍，而且更重要的是又学到了 很多新的知识，获得了新的经验。我从中学会了如何去根据具体的数据进行查表，从而进 行设计。学会知道团队精神的重要性，在这次的课程设计当中，在一些材料的选用，数据 的算法

46、等方面与其它同学进行了交流，提高了自己的工作效率。 2在如此短的时间。依靠个人能力是不可能完成如此繁琐的资料查找与收集的。所以， 通过这次课程设计，加强了同学之间的交流，大大增进了我们班的凝聚力，协作的精神更 强了。而且自己也学到了很多实际的有用的东西，相信对以后的工作一定会大有益处。 3最后，在此对陈益明老师、黎勉老师、查晓春老师和骆德汉老师的帮助表示深深的谢 意。老师们特地把几本十分厚重的设计手册带给我们以便查找资料，节省了同学们的时间 41 提高了效率。 8.8.主要参考文献主要参考文献 1传感器第 3 版，强锡富主编机械工业出版社，2001 年 2新编传感器技术手册 ，李科杰主编国防工业出版社，2002 年 3传感器实用装置制作集锦 ，陈尔绍主编人民邮电出版社，2000 年 4传感器工作原理及应用实例 ，黄继昌主编人民邮电出版社，1998 年 5测控电路 ，张国雄主编，机械工业出版社2005 年 6传感器实用装置制作集锦 ，陈尔绍主编人民邮电出版社，2000 年 7传感器实际应用电路设计 ，黄贤武主编电子科技大学出版社，1997 年 网站： 中国传感器门户： http:/ AUTOCAD 最新视频教程（网易学院）： htt