应变式称重传感器设计说明书.doc

1、1一、应变式称重传感器设计说明书主要技术指标：1 、基本参数（1） 精确度等级：0.1 级（2） 测量范围 ：1000kg-10000kg （3） 灵敏度 ： 2mv/v（4） 额定励磁电压：12v（5） 输入和输出阻抗：传感器的输入和输出阻抗在 350500M 之间。（6） 正常工作条件：传感器的正常工作条件为：温度：-20+70 相对温度：5%100%2、主要性能指标（1） 线性度：迟滞和重复性：0.1%FS（2） 热零点漂移：0.06%FS/10（3） 初始零点：2%FS （4） 允许过载：应能承受 1.5倍的额定载荷（5） 绝缘电阻：2000M（6） 稳定性：在规定条件下，在校准的有效

2、期内传感器的性能符合本标准规定的要求。 （二）传感器结构设计：图（1-1）设计成剪切梁式结构，如图（1-1）所示：对于一般的弹性传感器，当承受载荷时，梁就会产生弯曲，图(1-2)指出了剪力和弯矩图，梁上产生的正应力正比梁的弯矩，而弯矩又正比于梁受力的作用点的距离因此对于一般弹性量而言，力作用电位置变化会引起测量误差。而剪切梁式由于测量它的且应变，而切应变与切力成正比,而切力在梁上是常量，与弯矩无关，所以力作用点的位置发2生变化不影响传感器输出。图（1-2）弹性应变梁的剪力和弯矩1、线性好，精度高。输出信号不受测力点位置变化的影响。2、高度低，重量轻，体积小，易于安装和维修。3、结构简单，易于密

3、封。4、抗测向力强。弹性元件设计1、材料选择：衡量弹性元件材料基本性能的主要指标是弹性储能（也叫应变能） 。弹性储能它表示弹性材料吸收变形功而不发生永久变形的能力，即材料变形后储存于材料内的应变能。其大小为(1/2) e e1/2( e2/E) (1-1)式中 e弹性极限 e弹性极限对应的应变2、比值 e2/E 越大越好。 e高则弹性变形范围大，低则在同样载荷下可获得较大变形。同时，对弹性元件材料性能的要求应考虑使用场合。选择合金结构钢做弹性元件，E=2.110E11pa 抗拉强度为 10E9pa 3、材料的热处理和稳定性处理材料需要淬火，回火等一系列热处理工艺。采用时效法来消除残余内力，或采

4、用如温度 100200存放（数十至数百小时）的人工时效方法4、弹性元件的设计3图（1-3）工字梁切应力分布图选定 H=35mm ; h=24mm ; B=24mm ;取安全系数 ns=1.5 = s/ns =93.310 7 pa 由于选用的是弹簧钢，泊松比 =0.149，所以 /(1+) =81.210 7 pa即 max= 81.210 7 pa6、参数的设计剪切梁式传感器弹性体的截面为工字梁，梁内的切应力可根据材料力学中的茹拉夫斯基公式计算：=Qs/J yb (1-2)工字梁截面 1、2、3 点的静矩S1=0 (1-3)S2= (BH2-Bh2)/8 (1-4)S3 =(BH2-Bh2+

5、bh2) /8 (1-5)惯性矩为：Jy = (BH3-Bh3+bh3) /12 (1-6)将静矩和惯性矩带入得各点的切应力： 1= QS1/Jy B =0 2=QS2/Jy B = (3Q2)(H 2-h2)/BH3-Bh3+bh3) (1-7) 2=QS2/Jy b = (3QB/2b) (H2-h2)/BH3-Bh3+bh3) (1-8) 3=QS3/Jy b = (3Q/2b) (BH2-Bh2+bh2/BH3-Bh3+bh3) (1-9) 1 2 2 3 即 max= 381.210 7 pa (1-10)解得 b4.13mm最大弯曲内应力满足 max = M max/ W (1-1

6、1)工字梁在根部最大弯矩为 M max =FL1 (1-12) 工字梁断面系数4W = BH3-Bh3+bh3 /6H=2.29810-6 (1-13)所以工字梁的最大弯曲应为 = 6FL 1H / BH3-Bh3+bh3 = 80.910 7pa (1-14)解得L1 44.3mm 取 L1=44mmL2=L1-24/232mm其中， 应不大于许用剪切应力 ， 可用下式计算: max = (N/mm )传感器输出灵敏度 121、剪切梁灵敏度 S1 = E (1-15)S1 = /F = 3/EF =1.1410-8 m/N (1-16)2、应变片灵敏度 S2选取应变片电阻为 120 S2=2

7、3、电桥灵敏度 S 3 激励电压为 12VS3 = U0/ =U/R0 = 1/10 (1-17)4、选放大电路增益为 100 S = S1* S2* S3*S4=5.4210 E -5V/N=5.4210-4 V/Kg (1-18) 1 2 3 4ABCD4321DCBAR150KR350K10K10K10KR499KR51KR699K10K 10K10K2KR2OP05OP0574150KR7图（14）补偿放大电路5补偿电路：采用图（14）所示,R1R2R3 构成调零电路，放大电路采用三个运放，构成放大器，它具有阻抗高和能力强等特点，可进一步降低漂移，增益公式：A=(1+R /R ),改变

8、 R 的阻值可进行增益的微调。改变 R 的阻值可将共模455 2抑制比调到到最零点。由于 R4R5R6决定其增益故采用高精度,温度系数小的多圈型垂直滑动电阻器.(五)应变片的粘贴应变片的选择：基于应变的特点，铂式应变片毫无疑问为设计的最佳选择。选 BH-5-120型应变片，允许最大应变：3000 m,额定电流：30mA,栅底尺寸：3 10mm,外型尺寸：3 10，灵敏系数 2。二、差动变压式螺线管位移传感器（一）技术要求（1） 基本误差限： %3.0（2） 线性度误差：（3） 回程误差：0.12%（4） 重复性误差：0.12%（5） 零点残余误差：0.3%（二）性能参考要求：差动变压器的主要基

9、本参数、技术指标：（1）型式：传感器结构为螺线管式（2）测量范围：双向小量程传感器，其测量范围有上、下限。（3）精度等级：位移测量范围： ；线性度：0.5%5.2（4）励磁电源的选择传感器的励磁电源频率为 16HZ的正弦波，其波形失真度不大于2%。电压有效值不大于 5V。（5）输出信号：当励磁电源为 3V、频率为 3HZ和负载为 20K 时，传感器 的输出信号不小于 0.5伏（6）正常工作条件温度：-20+70 。 C 相对湿度：5%100%（三）工作原理介绍差动变压式位移传感器是将被测位移量转化为变压器线圈的互感变化，从6而通过电压的变化测的位移量的。（四）量程设计1.形式设计根据所测位移量

10、的大小来确定所要设计的变压器的形式。螺线管式差动变压器适用于一到几百 mm范围内的位移量，分辨率和灵敏度较低。2.外径的选择：选外径为 15mm.3.衔铁长度和线圈的确定最大位移 Xmax= m5.2线性度 %.0则可得初基线圈长：b= = =25 (2-1)2max5.0次级线圈长：取 mm.m=b+ Xmax + =25+2.5+0.5=28 (2-2)衔铁长：取 d=1mml =3b+2d=253+2=77 (2-3)a骨架长：l =b+2m+4d=25+228+4=85 (2-4)b线性范围：x=0.60.7l -(b-2d)/2=0.60.785-(25-2)/2=10. (25)b

11、4、线圈的简图如下rmdL21x21d7图（21）b-初级线圈 p的长度(初级线圈的匝数为 Np);m-一个次级线圈 s的长度(次级线圈的匝数为 Ns);r-螺管线圈的外径;R-螺管线圈的外径;L-衔铁长度;X21县铁进入左边次级线圈的长度(衔铁进入有边线圈内的长度为 X22);L21衔铁左端面到初级线圈左端的长度;L22衔铁右端面到初级线圈右端的长度;（五）灵敏度确定1.气隙的选择气隙的大小对差动变压器灵敏度有很大的影响。灵敏度与气隙大小成反比，气隙小灵敏度高。此选 0.5mm.2.线圈匝数的确定线圈匝数影响到传感器的灵敏度，初级线圈的匝数大，传感器灵敏度就高。同样适当的增大匝数比，即初级线

12、圈匝数也将提高灵敏度。一般在给定的窗口面积下，为了提高匝数，常选用低电阻率，高强度的细线，常用直径为 d =0.0040.16mm的漆包线。p取 R=6mm,r=3mm,k =0.3,初级线圈的陷径 d =0.16mm p初级线圈圈数：N = = =1119 (2-6)P2)(4prRbK216.0)3(54次级线圈圈数：N = = =1253 (2-7)s2)(pdmk 2.)(83.励磁电源频率的确定为了提高灵敏度场选用 310kHz的激励频率，这样也减小了初级线圈与次级线圈间的相位差。4.激励电流和电压的确定激励电压和电流的增加将有利于提高灵敏度。但是过大的激励电压和电流将导致传感器的损

13、害或绕组发热而造成信号漂移. 取 J =310 A/m =3A/mmi6228I = = =0.06A (2-8)P41ipJd2316.02取 a=1010 M /W4A =2 628=1056mm2l =2 (R+r)=28.27mmcK= = =5.2 (2-9)mlrRbNfISP)/ln(106723728)36ln(10519.6723R =4 = =25 (2-10)C2/pPcdl6238.05.4s =(R-r)b=325=75mm (2-11)k 2实际面积：S= = =74.996mm s (2-12)KNdPp4.23.041962k则 N 合适P（六）材料的选择1.导

14、磁材料的选择通常根据激励电源频率选用铁心磁材料。此选铁氧体。2.骨架材料的选择骨架材料要求：热膨胀系数小，有一定的强度，容易加工。此选聚四氟乙烯。（七）导向或支撑结构的选择传感器中侧杆导向或支撑结构对差动螺线管传感器的示值误差、灵敏现有影响。此选滚动式。9滑动式 滚动式 片簧式图（22）常用导向或支撑结构（八）电路图 联结高阻阻负载，电压输出型1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 17-Jul-2007 Sheet of File: D:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLES

15、MyDesign1.ddbDrawn By:12341234L2L3L1R?R1R21R22R1U1U21U22L21L22L112341234L2L3L1图（23） 电路图三、电涡流式位移传感器的设计（一）主要技术指标：1、设计主要内容：（1） 体灵敏度的合理分配，各部件的大致选择及设计。（2） 传感器元件的设计及选择及计算。（3） 后续电路的设计及计算。（4） 总体装配图的设计与绘图。2、 性能参数要求：电涡流式位移传感器的主要基本参数、技术指标：（1） 型式 ：传感器结构为： 变间隙式（2） 测量范围： 小量程传感器。（3） 精确度等级传感器的精确度等级为：位移测量范围（mm）：3 精确

16、度等级：3 标准线圈外径（mm）：15 （4） 励磁电源的选择传感器的励磁电源频率和电压有效值自选。（5） 输出信号10传感器输出信号范围： 010V。（6） 正常工作条件温 度： -20+70；相对湿度： 51003、 技术要求（1） 基本误差限： 0.10（2） 线性度误差： 0.10（3） 回程误差： 0.15（4） 重复性误差： 0.15（5）零点残余误差：0.15（二）工作原理电涡流式传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变化，或 Q值的变化）从而进行非电量电测的。合理地选用传感器的类型和性能指标。小位移多采用变间隙型；大位移（超过88mm）就要选用变

17、面积型。变间隙型使用于被测表面面积较 a大的金属体沿垂直 于其表面的法线方向上的位移，或直径较大的轴的径向振动测量。图（31）原理图把被测导体上形成的电涡流等效为一个环路，如下图（32）所示：11图（32）等效短路环其中，2r 取 15mmasri=0.525r =3.9mm (3-1) ra=1.39ras=10.425mm (3-2) h=5000 =6.39mm (3-3)fr其中： 导体电阻率，铜的导体电阻率 1.58 f电流频m/105率，取电流频率 1MHz. 相对导磁率,铜的相对导磁率 =9.6710-6r r短路环流可看作一匝短路线圈。电涡流式位移传感器的等效原理图如(3-3)

18、：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 18-Jul-2007 Sheet of File: D:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamplesBackup of 1112.DDBDrawn By:L1 L2 R2R1I1 I2C?C? C?C?C?C?C?C?C?D?D? L?L?L?L?Y?CRYSTALC?C?C?Q?Q?Q?NPN1Q?Q?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?R?C?C?图(3-3)根据基尔霍夫定律，可列出；R1 1+ 1-jM 2= (3-4

19、)IjLIIU- 1+ 2+ 2=0Mj等效阻抗为：= +IUZ221RL221LMLj12则等效电感为：(3-5)221LRML（1）电感的计算 对于矩形截面的扁平圆线圈及短路环，电感可用下式计 算(3-6)92104.1.0369. edDNL式中 L 电感量（H） ；N匝数；D线圈或短路环平均直径（cm） ；d为 ；e为 ；c线圈或短路环的径向厚度（cm） ；bDbd线圈或短路环的宽度（cm） 。（2）导体短路环电阻的计算(3-7)iarhRln12式中 R2短路环电阻（） ；h电涡流贯穿深度（cm） ； 导体的电阻率（ cm） ；r a短路环的等效外径（cm） ；r i短路环的等效内径

20、（cm） 。（）据线圈-导体系统的电磁作用，若考虑电涡流分布的不均匀性，可以得到导体中的电涡流强度为：(3-8)212asrxI式中 I 1线圈激励电流；x线圈到被测体的距离。由上式可知，电涡流强度随 的增大而迅速减小，例如 =5asrxasrx时，I 2=0.02I1。因此为能得到较强的涡流效应，应使 1。可见线圈asrx外径 与被测位移量 x有密切关系。asr（三）间隙型电涡流传感器结构设计变间隙型电涡流传感器进行位移测量的原理是基于传感器平面与被测金属13表面之间间隙的变化会引起涡流密度的变化，从而导致传感器线圈的电感、阻抗或品质因数的变化。变间隙型电涡流传感器结构很简单，主要是由一个固

21、定在框架上的扁平圆线圈组成。线圈是用多股漆包线或银线绕制而成，一般放在传感器的端部，线圈可绕在框架的槽内，也可以用粘结形（贴应变片用的即可）粘结在端部，结构型式见绘图纸.变间隙型传感器常采用一个线圈的单绕组式进行测量，也可以采用双线组式传感器。在用双线组式传感器时，信号发生器的信号供给主动绕组，测量线圈可以接到谐振回路中。并与主动绕组成感应耦合，由于使双绕组传感器的输入阻抗与输出线的参数相匹配，所以它可以放在离测量电路达100m处，而灵敏度并不下降。此外，由于在线路见选择了耦合系数，因此传感器可得到等于测量线圈半径 0.8倍的线性段。测量线圈采用差动线路，可提高灵敏度及稳定性，并改善线性度。这

22、时它的两个测量线圈平行地分置于理检测对象的距离上，不同于谐振电路，反向相接。（四）量程和灵敏度的设计电涡流传感器设计中，灵敏度和测量范围是主要的问题。对于变间隙型电涡流传感器，要提高灵敏度，则线圈轴向磁场强度的梯度要大；要提高现性范围，应使线圈的轴向磁场分布范围扩大。1、量程的设计2、灵敏度的设计3、传感器材料的选择4、安装 变 间 隙 传 感 杆 的 理 想 的 安 装 位 置被 测 对 象最 佳 安 装 位 置 感器传图（34）14（五）电路的设计1、 调幅式测量电路该电路的原理框图如下。电路由 1MHz的石英晶体振荡器、并联谐振回路、源极输出器、高频放大器、检波器、滤波器组成。由于采用晶

23、振，该测量回路稳定性好。传感器线圈 L和电容 c组成并联谐振回路。石英晶体震荡器相当于一个恒流源，由它向并联谐振回路提供一个频率稳定的高频率激励电流 I0,频率为 f. 滤 波 器 -耦 合 电 阻检 波 器 4晶 体 振 荡 器 2高 频 放 大 器调 幅 式 测 量 电 路 原 理 图图（35）电路的谐振曲线和输出特性曲线如下图（36）谐振曲线 输出特性曲线图（36）实际的测量电路图如下图151 2 3 4 5 6ABCD654321DCBA TitleNumber RevisionSizeBDate: 18-Jul-2007 Sheet of File: D:DESIGN EXPLORE

24、R 99 SEEXAMPLESPREVIO3.DDBDrawn By:R1RES2R2RES2R3RES2R4R5RES2R7R8RES2R9R10R11RES2R12R14RES2R15RES2Q?NPN1Q?NPN1C?CAPC?CAPC?CAP C?CAPC?CAP C?CAPC?CAPC?CAPC?CAPY?CRYSTALL? L?ELECTRO1L?L?NPN1L?INDUCTOR125431图（37） 调幅电路原理图（）石英晶体振荡器 这是一个提供 1MHz高频信号的恒流源。由于高频不稳会引起并联谐振回路阻抗的变化。从而导致输出电压的变化，所以采用频率稳定度高的石英晶体振荡器。（） 并联谐振回路 在这个回路中传感器将位移变化转化为电压的变化。（）源极输出电路 此输出器引起阻抗变化作用，以减小振荡器的负载。（）高频放大器 采用三级直接耦合交流放大器，将测量信号放大，以推动记录仪器。（）检波器 检波器将高频载波上的信息取出，并通过滤波网络滤除高频载波。采用倍压检波器是为了提高检波效率。F= (3-9) LC21采用频率-电压转化电路：U =U*T *f0fU是频率-电压转化电路电源电压，T 是频率-电压转化电路中f单稳态触发器定时定宽电路的方波宽度。2采用电桥法：将传感器线圈的阻抗作为电桥的一个臂，求出电桥的输出电压的大小。