《自动检测技术及仪表》课程设计报告

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1、《自动检测技术及仪表》课程设计报告学号：姓名：班级：学院：31荷重传感器设计1.压力测量的一般方法的比较与选定压力传感器应用广泛、影响面宽，不只可以测量力和压力，也可用于测量负荷、加速度、扭矩、位移、流量等其他物理量，它们都与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，其特点是成本低、不需要电源，但体积大、笨重、输出为非电量。普遍应用的有压阻式、压电式、电容式、电阻式、电感式等等。近几年又发展了微波传感器、超声波传感器、生物传感器、视觉传感器、光纤式传感器等传感器。以下分别介绍一般常用的传

2、感器。放大输出型标定级饼型   微型超小型罐筒型   同轴嵌入型圆环柱型条型   Z型S型汽车工业用表1.1荷重传感器主要类型311.1压阻式传感器固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。其中半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。压阻式传感器便是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻式传感器灵敏

3、系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。图1.1为两种微型压阻式传感器的膜片图1.1两种微型压阻式传感器的膜片31图1.2压阻式传感器实物图1.2压电式传感器压电式传感器以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。按转换方式可以分为正压电效应和逆压电效应。当某些物质在外力作用下变形时，某些相应表面上就会产生异种电荷，去掉外力后又回到不带电状态。这种没有外电场只是形变产生的极化现象称正压电效应。在这些物质上施加电场时不仅产生

4、极化同时还产生了应力或应变，去掉电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能变成机械能的现象称逆压电效应。压电式传感器的工作原理是以物质的压电效应为基础，它是一种发电式传感器。由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要功能，加上它的体积小，重量轻，结构简单，工作可靠，固有频率高，灵敏度和信噪比高、动态特性好、耐高温等优点，因此，30多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，许多压电材料的工作温度只有250度左右。按弹性敏感元件和受力机构的形式，压电式传感器可分为膜片式和活塞式两类。图1.

5、2为膜片式压电传感器31图1.3膜片式压电传感器图1.4压电传感器实物图1.3电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。随着电子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器。因此它广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中。电容式传感器的基本原理可以用平板电容器说明。当忽略边缘效应时，其电容C为：C=式中δ，S和ε，中的某一项或几项有变化时，就

6、改变了电容C。δ和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；ε的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。实际应用时，常常仅改变δ、S和ε之中的一个参数来使C发生变化。所以电容式传感器可分为三种基本类型：变极距(变间隙)(δ)型（如图1.5所示），变介电常数(ε)型31（如图1.6所示）和变面积型（S）型（如图1.7所示）。(a)角位移式(b)直线位移式图1.7变面积型电容式传感器图1.8电容式传感器实物图311.4应变式传感器应变式传感器也称应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应,将测量物体的变形转换

7、为电阻变化的传感器。现已广泛应用于工程测量和科学实验中。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻的电阻应变效应。设有一根长度为L的，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻为：R=ρ当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为：由材料力学知：其中：---沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关；E----弹性模量；---材料所受应力。忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下：=可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变

8、成正比。应变式传感器类型有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。特点：①可测微应变1-2μm，且精度高、性能稳定；②尺寸