电阻应变式压力传感器设计说明

传感器与检测技术电阻应变式压力传感器的设计

学院：信息技术学院

指导老师：蔡杰

班级：B1106

：佳林

学号：0915110629

目录

一、设计任务分析 (2)

二、方案设计 (2)

2.1原理简述 (2)

2.2应变片检测原理 (3)

2.3弹性元件的选择及设计 (4)

2.4应变片的选择及设计 (5)

三、单元电路的设计 (6)

3.1电桥电路的设计 (6)

3.2放大电路的设计 (6)

3.3移相器的设计 (7)

3.4过零比较器的设计 (8)

3.5相敏检波电路的设计 (9)

3.6低通滤波器的设计 (9)

四、误差分析 (10)

五、心得体会 (10)

六、致 (11)

电阻应变式压力传感器的设计

一、设计任务分析

采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量（压力）传感器，具体要求如下：

1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥；

2.选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，

3.并根据测试极限围进行校核；

4.完成传感器的外观与装配设计；

5.完成应变电桥输出信号的后续电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通

滤波电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图；

二、方案设计

2.1原理简述

电阻应变式传感器为本设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重

力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输

出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显

示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。

本设计所测质量围是0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对

应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏检波电路，

移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。

原理框图如图一所示。

（质量）压力电阻应变片交流电桥5KHZ交流

放大器移相器数显表头

过零比较器

相敏检波

低通滤波

2.2应变片检测原理

电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。

设一根电阻丝，电阻率为ρ，长度为l ,截面积为S ，在未受力时的电阻值为

R=ρ

S

l

----- ①

图一 金属丝伸长后几何尺寸变化

如图一所示，电阻丝在拉力F 作用下，长度l 增加，截面S 减少，电阻率ρ也相应变化，将引起电阻变化△R ，其值为

R

R ∆=l l ∆—S S

∆＋ρρ∆ ----②

对于半径r 为的电阻丝，截面面积S=2r π，则有s s ∆=r r ∆2。令电阻丝的轴向应变为l ∆=ε，径向应变为=∆r r －μεμ-=∆)(l l ，ε由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得

R

R

∆=（1+2ρρεμ∆+) ----③

通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为

K =

ε

ρ

ρμε

∆+

+=∆)21(R

R ----④

从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数K 由两部分组成：受力后由材料的几何尺 受力引起)21(μ+；由材料电阻率变化引起的1)(_ερρ∆。对于金属丝材料，

1)(_ερρ∆项的值比)21(μ+小很多，可以忽略，故μ21+=K 。大量实验证明

在电阻丝拉伸比例极限，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。 通常金属丝的=1.7～3.6。④可写成

R

R

∆=K ε ----⑤ 2.3弹性元件的选择及设计

本次设计对质量的检测是通过对压力的检测实现的，所以弹性元件承受物重也即压力，这就要求弹性元件具有较好的韧性、强度及抗疲劳性，通过查设计手册，决定选取合金结构钢30CrMnSiNi2A ，其抗拉应力是1700Mpa ，屈服强度是1000Mpa ，弹性模量是211Gpa 。

同时本次设计选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如图二所示

图二 等截面梁

作用力F 与某一位置处的应变关系可按下式计算：0

2

6F =Ebh

l ε 式中： ε ——距自由端为0l 处的应变值； l ——梁的长度； E ——梁的材料弹性模量； b ——梁的宽度； h ——梁的厚度。

通过设计，选取l =20mm, 0l =14mm,b=10mm,h=3mm

现校核如下：

因此，选取是合理的。

2.4应变片的选择及设计

从理论学习中知道，箔式应变片具有敏感栅薄而宽，粘贴性能好，传递应变

-3

02-3-66F 61001410= = Mpa=93.3Mpa 1000Mpa bh 1010910l σ⨯⨯⨯⨯⨯⨯＜＜

性能好；散热性好，敏感栅弯头横向效应可以忽略；蠕变，机械滞后小，疲劳寿命长等优点，所以非常适合本次设计的应用。选择4片箔式应变片（BX120-02AA ）阻值为120Ω，其基底尺寸是2.4 2.4⨯（mm mm ⨯）。同时敏感珊的材料选择铂 因为其灵敏系数达s K =4.6， 且其最高工作温度可以达800多摄氏度，栅长做到0.5mm 。

应变片粘贴在距自由端0l 处，R1和R4粘贴在梁的上方承受正应变，R2和R3则与之对应粘贴在下方承受负应变。粘贴剂选择环氧树脂粘贴剂。 基底材料选择胶基，厚度为0.03mm-0.05mm 。

引线材料采用直径为0.15-0.18mm 的铬镍金属丝引线。

最后在安装后的应变片和引线上涂上中性凡士林油做防护作用，以保证应变片工作性能稳定可靠。 这样最大应变为：

因此是符合的。且交流电桥的最大输出输入比为：

三、单元电路的设计

3.1电桥电路的设计

为了实现对应变片的温度补偿，因此选择全桥电路作为测量电路，将4片应变片接入电桥。桥路图如图三所示。其次，考虑到连线导线分布电容的影响及交流电桥的初始平衡性问题（无称重时电桥输出应为零），应在桥路中采取调零电路。桥路接法如图三所示，R5和C2即是实现调零用的，取C2=1uF ，R5=1.8k Ω。

电桥输出为o i s i R

U =U K =U R ε∆

交流电源频率选择为5KHZ,现使桥路最大输出为10mV ，则电压幅值为：

7V

i U =≈-30-4-429-3-6

6F 61001410= = =4.4101510Ebh 211101010910

l ε⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＜（课设条件要求）-4s 2K 4.410 4.6o i U R

mV

V U R

ε∆===⨯⨯≈