传感器课程设计.docx

《传感器课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器课程设计.docx（14页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、设计题目:结构型压力传感器的设计设计内容：1 .设计传感器结构，画出传感器装配图。2 .设计测量转换电路和信号放大电路。3 .用1TD或LED实时显示压力。4 .传感器具备远程数据传送能力，传送方式可以是4s20mA电流，RS422, RS485或CAN,设计数据远程传送接口。5 .完成必要理论计算。6,设计软件，画出程序框图，并编制程序部分。7,编写设计计算说明书，提供系统硬件电路图、元器件清单和程序清单。具体参数:量 程：0150 （Mpa）综合精度：0.1% FS输出信号：420 MA（二线制）,05V, 15V,010V （三线制）供电电压：24DCV (9-36DCV)1方案设计1.

2、1原理简述电阻应变式传感器为本课程设计的主要部件，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。本次课程设计所测质量范围是OTOkg,同时也将后续处理电路的电压处理为与之对应的0T0V。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。图一原理框图1. 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

3、的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，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P，长度为/,截面积为S,在未受力时的电阻值为R=PI图二金属丝伸长后几何尺寸变化如图二所示，电阻丝在拉力F作用下，长度/增加，截面S减少，电阻率夕也相应变化，将引起电阻变化其值为A/? _ A/ _ AS , pR7 T V对于半径r为的电阻丝，截面面积S二42,则有As/s = 2zV。令电阻丝的轴向应变为 = A/ ,径向应变为= (/)= -以， 由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得=(1+

4、2) +包RP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A/? 7?p!p公K =:-=(1 + 2)+ L 1 从可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何尺寸受力引起(1 + 2以)；由材料电阻率变化引起的(N9/p)-l。对于金属丝材料，(八夕/P)-1项的值比(1 + 24)小很多，可以忽略，故K = l + 2。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。通常金属丝的二1.73.6。可写成NRR1.3弹性元件的选择及设计本次课设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

5、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lOOOMpa,弹性模量是211Gpa。同时本次课设选取弹性元件的形式为等截面梁，其示意图如图三所示图三等截面梁作用力F与某一位置处的应变关系可按下式计算：Ebh2式中： 距自由端为/。处的应变值；I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/=20mm, /o = 14mm, b=10mm, h=3mm6FZ0 6x100x14x107现校核如下：RT = 16xl.x5xl/ Mpa=93,3Mpa1000Mpa因此，选取是合理的。1

6、. 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，所以非常适合本次课设的应用。选择4片箔式应变片(BX120-02AA)阻值为120Q,其基底尺寸是2.4x2.4 (mmxmm)。同时敏感珊的材料选择销因为其灵敏系数达K,=4.6,且其最高工作温度可以达800多摄氏度，栅长做到0. 5mmo应变片粘贴在距自由端/。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. 05mn

7、i。引线材料采用直径为0. 15-0. 18n)m的铭银金属丝引线。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:6F/oEbh7=4.4 x 10R1310kL*0图六移相电路若设R12调节后的有效电阻为R,则移相的推导为:u = j（Rc U1 + jcoRCu 一 = kuo由 U+=U.（功）=券=cd2R2C2 + jcoRCk（l +疗R2c2）tg（/） =cdRC因为。的数量级为1(/，所以可以取C3=100uF,这样R (R12)可以设定在500Q范围，即实现相角在0-90移动。上式中1=一呸2,10kQ+100Q以移相

8、电路不改变幅值。2.4 过零比较器的设计在进行相敏检波时，我们更希望参考电压整形为方波，这样便于比较，因此设置一个过零比较器LM339实现这一功能。电路图如图七所示。2.5 相敏检波电路的设计由于采用的交流电压不能实现对压力方向的判别，所以要利用相敏检波的鉴相特性达到这一目的。电路图如图八所示。从图示知道，用JFET做开关器件，当US。”。时: 其导通，U4A正极为0电位，信号从负极输入，放大倍数为=1,此时UI。；当U30utV0时，KoJFET截止，信号从正极输入，放大倍数为1,此时UlVO。因此，相敏检波实现了信号的判别，只是与原信号相差一个负号。2.6 低通滤波器的设计由于经过相敏检波

9、后的电压还混有高频载波信号，所以需将其滤掉，又因为相敏检波后输出的电压与原信号差一个负号，所以选择反相一阶有源低通滤波器，这样就可以得到真正反映原信号的直流输出。低通滤波器截止频率设为40HZ。电路图如图九所示。UK7R11 9WV50Q115V | VEEC1IF4uFLM324ADU501n（接表头显示）R10W/1kQ图九低通滤波电路若取R10=lkQ,则由 一1M0HZ可解得Cl=4uF,另外取R9=50Q,2 万R（）C则此环节实现的放大倍数是卅 二20,则实现了放大倍数的另一级分配，也还R9原了原始信号的相位。所以至此，就实现了原始信号的测量处理，即能够通过将质量为（MOkg（也即

10、压力为0-100N）的物体作用于弹性元件（等截面梁）并通过应变片使其电阻发生变化进而使后续相关电路产生对应的0-10V的电压实现对物体的称重，也即1kg物体对应IV的电压。将低通滤波后产生的直流电压接入数显表头就可直观地看出物体质量的大小。3算法描述数码管显示模块内共阴极LED数码管组成，用P1 口进行选位，用CS273进行段选，采用A/D 0809,将压力传感器的输出电压输送到A/D 0809的IN0端口进行模块转换，转换成的数字量通过P0 口传递到8051单片机进行处理，程序如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit wr=P2A6;sbit rd=P2八7;sbit adint=P2A5;delay(uint z)(uchar w;while(z-)(for(w=0;w0&a20&a40&a60&a8O&a 100&a 120&a 140&a 160&al 80&a200&a220&a240&a=255) P3=0xc6;4软件设计软件设计思想：采用汇编语言编写程序，直接将程序在PROTEUS中进行编译调试，然后在实际环境中单机A789s51,加载程序，然后单击全速运行按钮，观察到压力的输出值显示。