应变式称重传感器设计说明书

应变式称重传感器设计说明书 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350——500MΩ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:?2000MΩ (6) 稳定性:在规定条件下，在校准的有效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生变化不影响传感器输出。 1 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 2 ,,,,(1/2)×σε,1/2×(σ/E) (1-1) eee 式中 σ――弹性极限 ε――弹性极限对应的应变 ee 22、比值σ/E 越大越好。σ高则弹性变形范围大，,低则在同样载荷下可获ee 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=2.1×10E11pa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，或采用如温度100——200?存放(数十至数百小时)的人工时效方法 4、弹性元件的设计 图(1-3)工字梁切应力分布图 选定H=35mm ; h=24mm ; B=24mm ; 7取安全系数n=1.5 [σ]=σ/n[σ]=93.3×10 pa sss 由于选用的是弹簧钢，泊松比μ=0.149，所以 2 7[τ]? [σ] /(1+μ) [τ]=81.2×10 pa 7即 τ?[τ]= 81.2×10 pa max 6、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MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714220348975_0计算: τ=Qs/Jb (1-2) y 工字梁截面 1、2、3点的静矩 S=0 (1-3) 122S= (BH-Bh)/8 (1-4) 2222S =(BH-Bh+bh) /8 (1-5) 3 惯性矩为: 333J = (BH-Bh+bh) /12 (1-6) y 将静矩和惯性矩带入?得各点的切应力: τ= QS/Jy B =0 1122333τ=QS/Jy B = (3Q,2)(H-h)/BH-Bh+bh) (1-7) 2222333’τ=QS/Jy b = (3QB/2b) (H-h)/BH-Bh+bh) (1-8) 22222333+bh) (1-9) τ=QS/Jy b = (3Q/2b) (BH-Bh+bh/BH-Bh33’τ<τ<τ<τ1223 即 7τ=τ?81.2×10 pa (1-10) max3 解得 b?4.13mm 最大弯曲内应力满足 σ = M / W?[σ] (1-11) maxmax 工字梁在根部最大弯矩为 M =FL (1-12) max1 工字梁断面系数 333-6W = BH-Bh+bh /6H=2.298×10 (1-13) 所以工字梁的最大弯曲应为 3337σ = 6FLH / BH-Bh+bh? [σ] = 80.9×10pa (1-14) 1 解得 L ?44.3mm 取L=44mm 11 L=L-24/2?32mm 21 ,[]2,,,,其中，应不大于许用剪切应力[]，[]可用下式计算: []=(N/mm)max1，, 3 1234 DD ?传感器输出灵敏度 1、剪切梁灵敏度S1 τ = Eε (1-15) -8S = ε/F =τ/EF =1.14×10 m/N (1-16) 13 2、 应变片灵敏度S 2CC 选取应变片电阻为 120 Ω S=2 2 3、 电桥灵敏度 S 3 激励电压为 12V S = U/Δ =U/R = 1/10 (1-17) 300 10K10K10K4、选放大电路增益为100 R150KR4BBOP05-499KS = S* S* S*S=5.42×10 E -5V/N=5.42×10 V/Kg (1-18) 1234 R250KR51K741 R350KR699K输出R7 AA2K10K10K10KOP05 电桥电源 图(1,4)补偿放大电路 1234 补偿电路:采用图(1,4)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R的阻值可进行增益的微调。改变R的阻值可将共模抑制比5542 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:3000m,额定电流:30mA,栅底尺, 寸:310mm,外型尺寸:310，灵敏系数2。 ，， 4 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: ,0.3% (2) 线性度误差: ,0.3% (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。 ,2.5(3)精度等级:位移测量范围:;线性度:0.5% (4)励磁电源的选择 传感器的励磁电源频率为1——6HZ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——+70C 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 ,2.5mm最大位移X= max ,,0.5%线性度 则可得初基线圈长: 5 2.5xmax b===25 (2-1) 2，0.5%2, 次级线圈长:取mm ,,0.5 m=b+ X+=25+2.5+0.5=28 (2-2) ,max 衔铁长:取d=1mm l=3b+2d=25×3+2=77 (2-3) a 骨架长:l=b+2m+4d=25+2×28+4=85 (2-4) b 线性范围: x=0.6×[0.7l-(b-2d)]/2=0.6×[0.7×85-(25-2)]/2=10. (2,5) b 4、线圈的简图如下 dx21mbmx1 dx r L21L1L11 L 图(2,1) 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; X—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X); 2122L—衔铁左端面到初级线圈左端的长度; 21 L—衔铁右端面到初级线圈右端的长度; 22 (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 6 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=0.004——0.16mm的漆包线。 p 取R=6mm,r=3mm,k=0.3,初级线圈的陷径d=0.16mm p, KbRr4，0.3，25，(6,3)4(,), 初级线圈圈数:N===1119 (2-6) P22,，0.16,dp kmRr4，0.3，28，(6,3)4(,), 次级线圈圈数:N===1253 (2-7) s22,，0.16,dp 3.励磁电源频率的确定 为了提高灵敏度场选用3——10kHz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害或绕组发热而造成信号漂移. 622取 J=3×10A/m=3A/mm i ,122,dJI===0.06A (2-8) ，0.16，3piP44 ,42取a=10×10M/W 2A=2,×6×28=1056mm ; l,=2(R+r)=28.27mm c 323216，3，0.06，1119，1253，25,16fINNb,PPS K===5.2 (2-9) 7610ln(R/r)ml710ln()，28，773 ,8,34，1.58，10，28.27，10，11192,lN/,d R=4==25 (2-10) ,CcPpC2,6,，0.16，10 2[s]=(R-r)×b=3×25=75mm (2-11) k 7 22,.dN，0.16，1119,pP2 实际面积:S===74.996mm<[s] (2-12) k4，0.34K, 则N合适 P (六)材料的选择 1.导磁材料的选择 123456 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 DD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。 L21 滑动式 滚动式 片簧式 42L1 图(2,2)常用导向或支撑结构 R1 CC3(八)电路图 联结高阻阻负载，电压输出型 1L21 L34242 3L13 R? 1L3R21L21R142 L1U21 3 U1BB 图(2,3) 电路图 L22R22 U22 8 AA Title SizeNumberRevision B Date:17-Jul-2007Sheet of File:D:\PROGRAM FILES\DESIGN EXPLORER 99 SE\EXAMPLES\MyDesign1.ddbDrawn By: 123456 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 传感器输出信号范围: 0—10V。 (6) 正常工作条件 温 度: -20—+70?; 相对湿度: 5,—100, 3、 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 9 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)就要选用变面积型。变间隙型使用于被测表面面积较大的金属体沿垂直 于a 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(3,1)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(3,2)所示: 图(3,2)等效短路环 其中，2r取15mm as r=0.525r=3.9mm (3-1) i as r=1.39r=10.425mm (3-2) aas ,h=5000=6.39mm (3-3) f,r ,5，10,/mm其中:?导体电阻率，铜的导体电阻率1.58 f…电流频率，, -6 取电流频率1MHz. …相对导磁率,铜的相对导磁率=9.67×10,,rr 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): 10 123456 DD Q?NPN1 L? C?C?R? C?L?CCR? R?Q?Y?R1R? CRYSTALR?Q?C?Q?C?D?I1I2L?R?R2L2L1C?Q?R?R?R?R?R?D?C? C?C?R? C?R? C?BBR?C?C?C? L? 图(3-3) 根据基尔霍夫定律，可列出; ,,,,U R+ω-jωM= (3-4) jL1112III1,,, -++=0 IIRj,Lj,MI12222 等效阻抗为: ,2222，，，，,,UMM=+ Z,R，Rj,L,,L,,,,1212,2222，，，，,，R，LRL,2222，，，，IAA则等效电感为: Title 22,M,,LLL (3-5) 1222SizeNumberRevision，，，,RL22B Date:18-Jul-2007Sheet of (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 File:D:\Program Files\Design Explorer 99 SE\Examples\Backup of 1112.DDBDrawn By:算 123456 2ND,9L,，10 (3-6) 0.369，0.14d，0.124e 式中 L ——电感量(H);N——匝数;D——线圈或短路环平均直径 (cm); bcd——为;e——为;c——线圈或短路环的径向厚度(cm);b—dD —线圈或短路环的宽度(cm)。 (2)导体短路环电阻的计算 ,,21R,, (3-7) 2rh,,aln,,ri,, 式中 R——短路环电阻(Ω);h——电涡流贯穿深度(cm);——,2 11 ,导体的电阻率(Ωcm);r——短路环的等效外径(cm);r——短ai 路环的等效内径(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: ,,x,,1I,I, (3-8) 21,,22x，ras,, 式中 I——线圈激励电流;x——线圈到被测体的距离。 1 xx 由上式可知，电涡流强度随的增大而迅速减小，例如=5时，rrasasxI=0.02I。因此为能得到较强的涡流效应，应使,1。可见线圈外径r21asras 与被测位移量x有密切关系。 (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 12 2、灵敏度的设计 3、传感器材料的选择 4、安装 最佳安装位置传感被测对象器 变间隙传感杆的理想的安装位置 图(3,4) (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. 调幅式测量电路原理图 晶体振荡器2-高频放大器检波器4滤波器-耦合电阻 图(3,5) 电路的谐振曲线和输出特性曲线如下图(3,6) 13 123456 DD 谐振曲线 输出特性曲线 图(3,6) 实际的测量电路图如下图 R14L?RES2C?L?ELECTRO1CAPR7C?CAPL?NPN1R4R1Q?C?R11RES2NPN1Y?RES2R5CAPR8RES2CRES2CC?C?CRYSTALCAPCAPC?12Q?NPN1C?CAP53R3CAPR15C?R10R94CAPC?RES2CAPR12R2RES2RES2 BBL? L?INDUCTOR1 图(3,7) 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AATitle采用频率稳定度高的石英晶体振荡器。 SizeNumberRevisionB(,) 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。 Date:18-Jul-2007Sheet of File:D:\DESIGN EXPLORER 99 SE\EXAMPLES\PREVIO~3.DDBDrawn By:123456(,)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。 14 1 F= (3-9) 2,LC 采用频率-电压转化电路: U=U*T*f f0 U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。 15