武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书
目录
1.绪论…………………………………………………………………………………1 2.CZL-204称重测力传感器相关介绍………………………………………………2 2.1 电阻应变式传感器的相关介绍………………………………………………2 2.2 称重传感器的原理分析及相关计算…………………………………………3 2.2.1 结构与原理特点 …………………………………………………………3 2.2.2 受力分析与理论计算……………………………………………………4 3.弹性元件的计算与选择……………………………………………………………5 3.1弹性元件的要求………………………………………………………………5 3.2 弹性元件的尺寸计算…………………………………………………………5 4.应变片的选用及计算………………………………………………………………5 4.1 应变片材料类型的选择………………………………………………………5 4.2 敏感栅材料及参数的选择……………………………………………………6 4.3 应变片基底材料选择…………………………………………………………6 4.4 粘接剂材料选择………………………………………………………………7 4.5 引线材料选择…………………………………………………………………7 4.6 应变片尺寸设计及阻值选择…………………………………………………7 4.7 应变片的贴片方式……………………………………………………………7 5.外形设计…………………………………………………………………………8 6.转换电路设计……………………………………………………………………8 6.1 全桥放大电路………………………………………………………………8 6.2 放大电路的设计计算……………………………………………………10 6.3相敏检波电路……………………………………………………………11 6.4滤波电路…………………………………………………………………12 6.5电路总图……………………………………………………………………13 7.误差来源与精度分析……………………………………………………………14小结体会…………………………………………………………………………15 8.参考文献…………………………………………………………………………15
武汉理工大学《传感器原理及应用》课程设计说明书
1.绪论
1.1设计的任务及要求
1. 正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成电桥；
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，并
根据测试极限范围进行强度校核； 3. 完成传感器的外观与装配设计；
4. 完成应变电桥输出信号的后续电路的设计和相关电路参数计算，绘制电路原
理图；
5. 按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（5000字左右）； 按机械制图标准绘制弹性元件图,机械装配图各一张；
1.2设计的目的意义及发展趋势
本次课程设计主要是针对电阻应变式传感器，电阻应变式传感器的结构和工作原理很简单。电阻应变式式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生变形，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，测量电阻应变片的电阻值变化就可以确定被测量的大小了。
本设计为轮辐（圆板）式称重传感器，具有精度高、性能可靠、结构简单、互换性好等优点。被广泛应用于汽车衡、动态轨道衡、料斗称等领域。
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2.CZL-204称重测力传感器相关介绍
2.1电阻应变式传感器的相关介绍
电阻应变式传感器具有悠久的历史。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元
件上，可构成测量位移、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感。电阻应变式传感器具有以下很多优点：
1、结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；
2、易于实现测试过程自动化合多点同步测量、远距离测量和遥测； 3、灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量； 4、可以测量多种物理量。
传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。
2.2 称重传感器的原理分析及相关计算
2.2.1 结构与原理特点
轮辐（圆板）式称重传感器的弹性体利用的是圆平板的弯曲应力，属弯曲型正应力传感器，下面4个螺孔与螺钉配合其固定作用，当重力施加到上面圆板上，会压缩圆板使之向下变形，空腔内的应变片将该微小的变形转化为电阻的改变，然后电阻的改变经过信号转换电路，即可将受到的压力转化为电量输出，从而实现测重的目的，其主要特点是：结果简单紧凑，体积小，高度低；抗侧向载荷及偏心载荷能力较强；便于防护密封，结构对称，集合外形为圆形，易于加工出很高的加工精度。
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图2.1 图2.2 2.2.2 受力分析与理论计算
轮辐（圆板）式弹性体可视为圆板周边固支，中心凸台上作用一个集中载荷P的圆平板，其力学模型如图一所示，为方便计算，以极坐标原点为圆心，以r为半径，从圆板中取出一薄圆环，并把内力和外载荷都看做是作用在圆板的中面上，其单元体及作用的内力如图二所示。取平衡条件
?z?0,有p?2?Qr?0Qr??p2?r?1d??rdr?dw?? ??rd???r???
d由弹性力学知，剪力公式为Qr??Ddr其中D为圆板的抗弯刚度Eh3D?121??2???max?KPh2PbEh32上述理论计算是在板的中面没有变形，弯曲时仍保持中性；原中平面法线上各点，弯曲后仍在中曲面法线上；不考虑板的横向应力三个假设和无中心凸台的等厚度板条件下得出的，为简化计算，其最大应力为：
?
最大挠度为Wmax?K1式中K和K1为对各种比值b/a和泊松比?=0.3计算所得的因子，具体系数见下表 b/a K 1.25 0.115 1.5 0.220 2 0.450 0.0237 3 0.703 0.062 4 0.933 0.092 5 1.130 0.114 K1
0.00129 0.0064 4
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3. 弹性元件的计算与选择
弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件。
3.1弹性元件的要求
在设计传感器以前，首先应选择好弹性元件材料。对弹性元件材料提出以下要求： （1）强度高，弹性极限高；
（2）具有高的冲击韧性和疲劳极限； （3）弹性模量温度系数小而稳定；
（4）热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性； （5）热膨胀系数小；
（6）具有良好的机械加工和热处理性能； （7）具有高的抗氧化、抗腐蚀性能； （8）弹性滞后应尽量小。
3.2 弹性元件的尺寸计算
由于轮辐（圆板）式称重传感器利用的是圆板弯曲时产生的径向应力，应变，所以在设计与计算时主要控制径向应变值，使其满足称重传感器灵敏度要求，其它部位只要保证强度，刚度条件即可，一般使b与a的比值在2-3之间比较理想，如果结构需要也可以达到4，甚至5。故我们可以设定?D1(即2a)为22mm,b为22mm，?D4为70mm，?D5为90mm，H1为48mm，M为M10，SR为50，h为10mm，将数据代入?式计算得?max=220.5MPa ，经查找资料，40CrNiMo完全能满足该要求，故选用此合金钢作为弹性元件材料。
4.应变片的选用及计算
4.1 应变片材料类型的选择
电阻应变片的种类，规格很多，常见的有金属丝式应变片，金属箔式应变片，半导体应变片。而其中金属箔式应变片是使用最普遍的电阻应变片，其敏感栅用0.001-0.01mm厚的合金箔利用照相制版或光刻腐蚀的方法制成，栅长最小可做成0.2mm。比较三种电阻应变片的特点：
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