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电阻应变片的压力传感器设计

一、设计灵感来源：

前段时间在朋友的家里无意间发现了一个微型测重仪器，觉得挺方便、使用的，询问后才知道现在女生流行减肥，因此它的价值就在此体现出来了。刚好本学期我们开的一门专业课就是学习传感器的，趁着这个机会，我打算设计一个微型测重仪器；同时，也能使自己的理论知识得以实践。二、设计原理：

利用金属材料的电阻定律。当应变片的结构尺寸发生变化时，其电阻也发生相应的变化。（应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得）这就是所谓的“应变效应”。

三、设计整体框图及简单说明：

传感器感受到被测量；

由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；

由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波

由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压，故需要设计共模抑制电路。

考虑到长期使用时可能造成误差情况，故要设计调零电路。

信号通过数模转换电路，最后经过显示电路显示出数字。四、材料选择及分析：

本次设计只要的目的是用于测量人的体重，需采用具备测量精度较高、动态响应好、使用简单、体积小等优点的的传感器，因此根据自己的知识储备，我选择了柱式力传感器。柱式力传感器的弹性元件选用实心柱，应变片的灵敏度为K，4片特性相同的应变片对称的贴在圆通外表面，如下图，并将4片应变片接成四臂差动电桥（全桥）形式。因为这种连接方式可提高检测灵敏度和温度稳定性，最大测力量程可达。

五、应变片具体计算

本次传感器课程设计选用应变式拉压传感器，只要把应变片贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小，而弹性元件的应变大小可以通过应变片电阻大小的变化量来求得。

六、、具体方案比较

1、在测量拉、压力上主要用到的是柱式传感器。

应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。常用的是两臂差动电桥和全桥电路，

2、电路转换部分

一般电桥（平衡电桥）的输出电压为

U ?U

RR ?RR

1 4 2 3

o i(R

1

R)(R

2 3

R)

4

平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可是流过负载电阻的电流为0

电压灵敏度：如果在实际测量中，使第一桥臂R1由应变片来代替，微

小的应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小的变化。一般需要加入放大器放大。

? ?Ui

U 4

电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压越高，电桥电压灵敏度越高，但是供桥电压的提高，受到应变片允许的功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择。

两臂差动电桥电路的电压输出为

U ?U

（R??R）R

1 1 4

(R

2

?R)R

…2 3

…

o i(R

1

?R?R

1 2

?R

2

)(R

3

R)

4

设初始时R ?R

1 2

?R ?R

3 4

?R,工作时一片受拉一片受压，即

?R ???R

??R,则式（3-11）可以简化为 U

?U ??R

U

? i??

i2 o

i

R 2

i差动电桥电压灵敏度为? ?U

i

U 2

由此可知：比使用一只应变片提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用

（3）采用四臂电桥

如图所示并设初始时R ?R

1 2

?R ?R

3 4

?R，工作时?R

1

??R

4

??R

3

???R

2

??R

时，输出为

U ? ?RU

o R i

???U

i

四臂电桥的电压灵敏度为

? ?U

U i

由此可知：比用单片提高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。

由此可知：比用单片提高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。

通过比较其电压灵敏度知四臂电桥（全桥）电路的灵敏度高，故选用四臂电桥电路。

七、测量电路的设计与计算1、电桥电路的设计与计算

依照课程设计中的方案选择知使用的电桥为全桥电路。在实际测量中，

作用力不可能正好通过柱体的中心轴线，所以这样的柱体弹性元件除了受到拉（压）外，还受到横向力和弯矩。通过图

5.1所示应变片的粘贴、连接方法可以减小这种影响。 图

5.1 应变片的粘贴和连接方法图中各应变片上的应变分别为

? ?? ?? ??????

1 1 4 4 t

? ???? ????????

2 2 3 3 t

式中：?t为温度引起的虚假应变。根据桥式电路输出为

U ?U

? （41??）?

i

?（1??）??U

o 4 [1?（21??）??2?] i

t

电桥电压灵敏度为

（5-1）

? ?（1?