摘要感測器技術是利用各種功能材料實現資訊檢測的一門綜合技術學科，是在現今科學領域中實現資訊化的基礎技術之一。現代測量、控制與自動化技術的飛速發展，特別是電子資訊科學的發展，極大地促進了現代感測器技術的發展。同時我們也看到，感測器在日常生活中的運用越來越廣泛，可以說它已成為了測試測量不可或缺的環節。
因此，學習、研究並在實踐中不斷運用感測器技術是具有重大意義的。
目錄摘要1
第一章功能和意義2
第二章感測器原理3
2.1 原理框圖3
2.2 應變片檢測原理4
2.3 彈性元件的選擇和設計4
2.4 應變片的選擇及設計5
第三章電路設計6
3.1 電源設計6
3.2 交流電橋設計7
3.3 放大電路設計8
3.4 相敏檢波電路設計9
3.5 濾波器設計10
第四章結論11
第五章誤差分析11
第六章參考文獻11
第七章心得體會12
一. 功能和意義
資訊科技已經成為當今全球性的戰略技術，作為各種資訊的感知，採集，轉換，傳輸和處理功能器件感測器，已經成為各個應用領域，特別是自動檢測，自動控制系統中不可缺少的核心部件，感測器技術正深刻影響著國民經濟和國防建設的各個領域。
電阻應變式感測器為本課程設計的主要部件，感測器中的彈性元件感受物體的重力並將其轉化為應變片的電阻變化，再利用交流全橋測量原理得到一定大小的輸出電壓，通過電路輸出電壓和標準重量的線性關係，建立具體的數學模型，在顯示表頭中將電壓（v）改為質量（kg）即可實現對物品質量的稱重。
訊號放大電路是為了將微弱的感測器訊號，放大到足以進行各種轉換處理或驅動指示器，記錄器以及各種控制機構。
本次課程設計所測質量範圍是0-10kg，同時也將後續處理電路的電壓處理為與之對應的0-10v。由於採用了交流電橋，所以後續電路包括放大電路，相敏檢波電路，低通濾波電路（顯示電路本次未設計）。
二.感測器原理
1.原理框圖
圖一原理框圖
2.應變片檢測原理
電阻應變片（金屬絲、箔式或半導體應變片）貼上在測量壓力的彈性元件表面上，當被測壓力變化時，彈性元件內部應力變形，這個變形應力使應變片的電阻產生變形，根據所測電阻變化的大小來測量未知壓力，也實現本次設計未知質量的檢測。
設一根電阻絲，電阻率為，長度為,截面積為s，在未受力時的電阻值為r
圖二金屬絲伸長後幾何尺寸變化
如圖二所示，電阻絲在拉力f作用下，長度增加，截面s減少，電阻率也相應變化，將引起電阻變化△r，其值為
對於半徑r為的電阻絲，截面面積s=，則有=。令電阻絲的軸向應變為，徑向應變為－，由材料力學可知，為電阻絲材料的泊松係數，經整理可得
=（1+2
通常把單位應電所引起的電阻相對變化稱為電阻絲的靈敏係數，其表示式為
從④可以明顯看出，電阻絲靈敏係數由兩部分組成：受力後由材料的幾何尺寸的受力引起；由材料電阻率變化引起的。對於金屬絲材料，項的值比小很多，可以忽略，故。
大量實驗證明，在電阻絲拉伸比例極限內，電阻的相對變化與應變成正比，即為常數
通常金屬絲的=1.7～3.6。④可寫成
3.彈性元件的選擇及設計
本次課設對質量的檢測是通過對壓力的檢測實現的，所以彈性元件承受物重也即壓力，這就要求彈性元件具有較好的韌性、強度及抗疲勞性，通過查設計手冊，決定選取合金結構鋼30crmnsini2a，其抗拉應力是1700mpa，屈服強度是1000mpa，彈性模量是211gpa。
同時本次課設選取彈性元件的形式為等截面梁，其示意圖如圖三所示
圖三等截面梁
作用力f與某一位置處的應變關係可按下式計算：
式中： ——距自由端為處的應變值；
梁的長度；
e——梁的材料彈性模量；
b——梁的寬度；
h——梁的厚度。
通過設計，選取=20mm, =14mm,b=10mm,h=3mm
現校核如下：
因此，選取是合理的。
4.應變片的選擇及設計
從理論學習中知道，箔式應變片具有敏感柵薄而寬，貼上效能好，傳遞應變效能好；散熱性好，敏感柵彎頭橫向效應可以忽略；蠕變，機械滯後小，疲勞壽命長等優點，所以非常適合本次課設的應用。選擇4片箔式應變片（bx120-02aa）阻值為120ω，其基底尺寸是（）。同時敏感珊的材料選擇鉑
因為其靈敏係數達。且其最高工作溫度可以達800多攝氏度，柵長做到0.5mm。
應變片貼上在距自由端處，r1和r4貼上在梁的上方承受正應變，r2和r3則與之對應貼上在下方承受負應變。貼上劑選擇環氧樹脂貼上劑。
基底材料選擇膠基，厚度為0.03mm-0.05mm。
引線材料採用直徑為0.15-0.18mm的鉻鎳金屬絲引線。
最後在安裝後的應變片和引線上塗上中性凡士林油做防護作用，以保證應變片工作效能穩定可靠。
這樣最大應變為：
因此是符合的。且交流電橋的最大輸出輸入比為：
三.電路設計
1.電源的設計
交流穩壓電路如圖四所示，igbt管與其周圍的四隻整流二極體構成雙向開關由pwm脈衝進行斬控調壓，lc為高次濾波器濾除高次諧波，補償變壓器與電網電壓串聯為負載提供穩定的交流電壓。
2.電橋電路的設計
為了實現對應變片的溫度補償，因此選擇全橋電路作為測量電路，將4片應變片接入電橋。橋路圖如圖四所示。其次，考慮到連線導線分布電容的影響及交流電橋的初始平衡性問題（無稱重時電橋輸出應為零），應在橋路中採取調零電路。
橋路接法如圖四所示，r5和c2即是實現調零用的，取c2=1uf，r5=1.8kω。
電橋輸出為
圖四交流電橋
3.放大電路的設計
由於感測器輸出的電壓比較小，因此需對其進行放大使之滿足後續電路的處理要求。
鑑於感測器輸出可能雜有共模電壓，為此，選取具有高共模抑制比的放大器來達到淨化訊號電壓和充分節約成本和製造的空間的目的。
電路圖如圖五所示。
圖五放大電路
如圖所示，採用三運放高共模抑制比放大電路，它由三個整合運算放大器組成，其中n1,n2為兩個效能一致的同相輸入通用整合運算放大器，構成平衡對稱差動放大輸入級，n3構成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制n1，n2的共模訊號，並適應接地負載的需要。
其差模增益為
當n1 n2效能一致時，輸入級的差動輸出及其差模增益與差模輸入電壓有關，而其共模輸出，失調及漂移均在ro相互抵消，因此電路具有良好共模抑制能力，同時不要求外部電阻匹配，但為了消除n1 n2偏置電流等的影響，通常取r1=r2。另外這種電路具有增益調節能力，調節ro可以改變增益而不影響電路的對稱性。
其共模抑制比為
4.相敏檢波電路的設計
由於採用的交流電壓不能實現對壓力方向的判別，所以要利用相敏檢波的鑑相特性達到這一目的。
電路圖如圖八所示。
圖八精密整流型相敏檢波電路
為了使檢波電路具有判別訊號相位和選頻的能力，需採用相敏檢波電路。從電路結構上看，相敏檢波電路的主要特點是，除了需要解調的調幅訊號外，還要輸入乙個參考訊號。有了參考訊號就可以用它來鑑別輸入訊號的相位和頻率。
參考訊號應與所需解調訊號有相同的頻率，採用載波訊號或由它獲得的訊號作為參考訊號就能滿足這一條件。
在圖八的精密整流型相敏檢波電路中，接到n1的輸出端的是兩個由參考訊號uc控制的開關器件v1，v2。在uc為正的半週期，v1截止，v2導通，n1用作反相放大器，ua為us的反相信號，在uc為負的半週期，v1導通，v2截止，n1的輸出ua為零。這樣，ua的波形為一半波整流訊號。
取r1=r2，n2對ua的放大倍數比對us的放大倍數大一倍。在不接電容c情況下n2的輸出uo波形為全波整流訊號。在uc為正的半週期ua為負，輸出uo為正的全波檢波訊號，在uc與us反相時，在uc為正的半週期ua為正，輸出uo為負的全波檢波訊號，實現相敏檢波。
5.低通濾波器的設計
由於經過相敏檢波後的電壓還混有高頻載波訊號，所以需將其濾掉，又因為相敏檢波後輸出的電壓與原訊號差乙個負號，所以選擇反相一階有源低通濾波器，這樣就可以得到真正反映原訊號的直流輸出。
低通濾波器截止頻率設為40hz。電路圖如圖九所示。
圖九低通濾波電路
若取r10=1kω，則由可解得c1=4uf，另外取r9=50ω，則此環節實現的放大倍數是，則實現了放大倍數的另一級分配，也還原了原始訊號的相位。
所以至此，就實現了原始訊號的測量處理，即能夠通過將質量為0-10kg（也即壓力為0-100n）的物體作用於彈性元件（等截面梁）並通過應變片使其電阻發生變化進而使後續相關電路產生對應的0-10v的電壓實現對物體的稱重，也即1kg物體對應1v的電壓。將低通濾波後產生的直流電壓接入數顯表頭就可直觀地看出物體質量的大小。
四.結論
本次課程設計的壓力感測器，通過交流穩壓電源，電橋電路，三運放高共模抑制比放大電路，精密整流型相敏檢波電路，低通濾波器，能將壓力訊號轉換為電訊號進行觀測，實現對壓力的測量。
本次課程設計所測質量範圍是0-10kg，同時也將後續處理電路的電壓處理為與之對應的0-10v。由於採用了交流電橋，所以後續電路包括放大電路，相敏檢波電路，低通濾波電路。
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設計說明書 目錄一 設計題目要求與分析1 二 扭矩測量及應變片的基本原理 1 三 總體方案的確定7 四 感測器的設計7 1感測器型別的選擇 2感測器設計及結構圖 3靜動態扭矩感測器設計計算原理 4使用壽命與靜校核方法 五 測控電路的設計計算和相應的原理設計圖 14 1測量電路的設計方法和要求 2低功...
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