电阻应变式称重传感器设计(6)

武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书

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由于此传感器的量程为0-50N

在四处贴应变处最大的应变为?1?(PL/2?M)/EW其中Pmax=50N M?PL/4 假设暂定 L2=120mm L=80mm b=44mm h=3mm H= 46mm 则W=66 代入式子?1?(50?120?M)/EW得: ?1=1494×10?6< 1500×10?6 符合要求。

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第 4 章 变换检测电路设计

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等。

4.1 桥路的设计

由于电阻应变敏感元件的温度特性不完全相同，弹性元件各处的材料性能也有差异，当温度变化时，电桥就会有输出，造成测量误差，主要有两主要因素造成的：

（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变

（2）试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，式应变片产生附加应变

它有两种现象，一种是不受载荷时，温度变化，电桥就有输出，成为“零漂”；另一种是在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度变化而变化，称为“动漂”。

因此，在桥路设计时应将这些因素考虑在内。于是我就设计交流全桥式等臂电桥电路。

图 12 全桥式等臂电桥电路

初始状态：R1=R2 R3=R4 当应变片感受到应变时电桥输出电压

U0?Ui?R1/R1

由3.2节知：如果把应变片组成全桥式等臂电桥电路路，如图12所示，桥路输出为：

U0?UiK(?1??2??3??4)/4?UiK? (1)

?1?(PL2?M)/EW?2?(PL1?M)/EW

?3??(PL2?M)/EW?4??(PL1?M)/EW带入(1)式 得: U0?UiKPL/2EW

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其中：K为电阻应变片的灵敏系数；?为力P作用下贴片处的应变量。 采用此电桥电路的理由如下：

（1）此类电桥电路的灵敏度高，是单一工作应变片工作时的4倍 （2）输出输入呈线性，没有非线性误差

（3）能够温度补偿，大大减小因温度而造成的误差

4.2 放大电路的设计

由于此传感器的电桥输出阻抗很高，这就需要一个输入阻抗同样很高的放大电路与之匹配，并且此放大电路的输出阻抗应该较小。据此，我选择设计双运放高共模抑制比同相串联结构放大电路，如图13 为获得零共模增益，

图 13 同相串联结构放大电路

应使 R1/R2?R3/R4 电路的差动闭环增益为： Kd?1?R3/R4

确定了P=50N K=2.2 L=80mm E=0.71Gpa W?bh2/6 =66 代入公式U0?UiKPL/2EW得: U0?77.5Ui?10?5

故当输入Uimax?12V时 U0?8.54mv

因此要得到足够的功率去推动指示仪表或记录器，若经放大电路输出的信号最大值

Uimax?12V 则此放大电路的增益Kd?2?103/8.54?234 由于Kd?1?R3/R4 放大部分的增益设为117

则 R3/R4=116 取R3=100Ω R4=11.6kΩ 那么对应的R1=11.6kΩ R2=100Ω

4.3 检波、滤波电路的设计

经过放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原为被检测应变信号的波

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形。而一般的检波器只有单向的电压输出，不能区别拉压应变信号。因此，我采用能克服上述缺点的相敏检波器，它可以有双向信号输出，能反映出应变的拉或者压。 其电路如图14

图 14精密整流型全波相敏检波电路

其放大增益设为1

''则 对应的电阻阻值为：R3?2R3?2R4?240? R2?R1?R2?120? C?1?f

由相敏检波电路输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤掉，方能得到被检测应变信号的正确波形。一般用电容，电感组成二型低通滤波器。

对滤波器的特性要求，要考虑到和前级相敏检波电路的匹配，又要考虑和后级记录器的匹配。由于它要滤去高频波中频率最高分量，即是载波频率?，而一般被测应变信号频率比?小很多，故滤波电路的截止频率只要在（0.3~0.4）?，就可满足频率特性要求。

所以我在这里选用压控电压源型二阶低通滤波电路，电路如图 15

?0?1/R1R2C1C2

图 15 压控电压源型二阶低通滤波电路

其放大增益Kf?2 而载波信号频率定为200HZ 则此滤波器的截止频率为60~80HZ 我选择设计截止频率为80HZ的低通滤波电路，其参数如下： ?0?1?503rad/s 则Rf?R1?2.4k? R1?R2?R?20k?

R1R2C1C2C1?C2?C?0.1?f

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4.4 其他电路的设计与选择

由滤波电路输出的应变信号，要用合理的显示装置显示出来，因此，我选用七段译码显示器及CD4511 如图 16

（a） （b）

图 16 显示结构部件

第 5 章 传感器的工艺设计

5.1应变片的粘贴工艺

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