题目：电阻应变式载荷传感器及测试校准系统南京航空航天大学
综合课设报告
学院： 自动化学院
专业： 测试计量技术及仪器 组员： 031030224 黄坤 031030218 张驰宇 031030228 张震
2014年6月27日
检测技术综合课设
一、设计内容
1、设计一个电阻应变式载荷传感器及传感器特性自动测试校准系统。应用力学、传感器技术等相关知识设计一个载荷传感器，要求使用AUTOCAD绘制传感器机械图，分析推导应变和载荷的关系。责任设计人：031130224黄坤。
2、设计传感器调理电路，要求电路在满足一定测试精度的前提下，尽可能简单，但可以设计两个以上的电路。要求输出电压范围为-3V~3V。责任设计人：XXXXX。 3、设计51单片机应用程序，实现电压信号的采集和数字低通滤波处理，显示载荷大小（注意不是电压大小），并将数据通过RS232接口传送给PC机。责任设计人：XXXXX。
4、编写虚拟仪器程序，实现与单片机的通讯，完成校准和对传感器静态特性曲线的显示，计算传感器的线性度（用最小二乘线性度、或端基线性度表示）、重复误差等静态指标。（拓展）责任设计人：XXXXX。
二、传感器结构设计
1. 应变片的设计
（1）应变片工作原理
电阻应变敏感元件的转换原理是基于导线的电阻-应变效应。由金属导体的电阻定律知，对于长度为L、截面积为A、电阻率为?的金属丝，其电阻
R??L/A （式2-1）
结合材料的泊松比定律，经数学变换得金属丝电阻应变特性
dR/R?(1?2?)?x?d?/? （式2-2）
则金属丝灵敏系数
dR/Rd?/? （式2-3） Ks??(1?2?)??x?x故有
?R/R?Ks?x （式2-4）
另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片
?R/R?K?x （式2-5） 其中KKs
（2）应变片的基长
查阅资料可知，为了使测量误差减小，将阶小量后，可得
2sin?l0?l0/??展开为级数，并略去高
21??l?1??lf?e??0???0?6???6???
（式2-6） 粘贴在一定材料试件（?为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长l0和频率f的增加而增大。因而在设计、应用应变片时，就可按上式给定的三者的 关系，根据给定的精度?e?，来确定合理的l0或工作频率fmax，即
?6?e?? ?fmax?6?e??l0或 （式2-7）
l0?lmax?其基长l0应尽量选取短的，这样可以更真实地测出被测部位的应变值，以提高测量精度。
对于钢材，??5000m/s，若令精度?e??0.5%，最高工作频率fmax?25kHz代入上式可得
??6?e??6[e]?1.1cm?l0f?
（式2-8）
lmax?故取应变片栅长l0?1cm。
(2)传感器弹性元件的设计
我们组选择设计的是量程为10kg的梁式传感器，但由于普通的实心梁式传感器具有传感器输出随载荷位置的变化而变化这一缺点，我们选择使用如图所示的梁式结构：
图1
在板状梁上有两个孔 ,在梁的端部有集中力作用时 ,孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的内壁（其实黏贴在内表面也可以） ,应变片处于相反的应力区内,当上表面应变片变形为拉伸时 ,下表面则为压缩变形 ,四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。另外，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好 ,滞后小。根据应力分布图可以看出 ,受力点位置变化时 ,一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。
图2 双孔梁受力分析如下：
可以把弹性体看作是上、下对称的平行梁式结构，该结构属于3次超静定问题。即此结构上的未知约束反力的数目比能列出的独立静力平衡方程的数目多三个。由理论力学可知：“限制物体某些运动的条件称为约束”。物体与约束之间相互作用着力，约束给物体的力限制物体的某些运动。“约束给被约束物体的力称为约束反力”。例如单悬臂梁结构见图9(a)，其一端固定，另一端为自由端。当自由端作用力P时，固定端约束该梁在水平、垂直方向的移动及相对转动。固定端给横梁的约束用约束反力X、Y、M'表示。如图9(b)所示。取坐标系x0y，此力系为平面一般力系，能列三个独立平衡方程来求解三个约束反力。即：
?x?0 X=0
?y?0 Y?P?0,Y?P ?M0?0 M'- PL =0, M'?PL （式2-9）
此结构为静定结构。
根据上面分析，我们可将图8的结构简化为下图所示的
图3
计算简图。在上、下梁的固定端作用六个约束反力，它们分别 是：
X1、Y1、M1（作用在上梁） X2、Y2、M2（作用在下梁）
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