传感器三级项目设计（论文）
简易水压测力装置
姓 名：陈鹤天 指导教师：童凯
日 期：2014/12/5
燕 山 大 学
利用金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下有电阻值变化的效应（电阻应变效应）。通过设计机械结构将应力传递给电阻应变片，最后通过差动电桥将应力转换为电压，进而通过对电压的测量实现对应力的测量。可以测量出水压等一系列正应力， 关键词：正应力，电阻应变效应，传递，测量
一. 摘要
二. 前言
三. 正文
1应变片基础知识
2 应变片的主要参数及其特征 3转换电路的实现 4实验原理 5理论实验过程 6四种应变片拓展
正文
一. 电阻应变片和光学应变片
电阻应变片
电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。
半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。
应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
金属电阻应变片品种繁多，形式多样，常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻 应变片。
箔式电阻应变片是一种基于应变——电阻效应制成的，用金属箔作为敏感栅的，能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。 光学应变片
光学应变计一般采用不超过 4-9 微米直径的布拉格光栅 玻璃纤维 制造。
一般来说, 人的头发直径为60-80微米. 纤维芯被直径大约125 微米的纯玻璃覆盖层所包围。
基于布拉格光栅的应变片有以下优势： 1. 对电磁场不敏感 2. 可以用于可能爆炸的环境
3. 高震动负载情况下，材料（玻璃）不会产生故障
4. 可以测量更大的应变，一般电阻应变片的最大应变为数百微应变，而光学应变片的可测量的最大应变为7000微应变
5. 更少的连接线，因此会对测试物体产生更少的干扰 6. 互连需要大量的传感器，不同的布拉格波长可以集成在一个光纤中.
二. 应变片的主要参数及其特征 1. 应变片电阻值（R0）
应变片的种类可分为1. 金属丝式应变片 2.金属箔式应变片3. 金属薄膜式应变片；电阻值分为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω 等多种规格，以120Ω最为常用。在这里我们运用的是350Ω的应变片。 2. 绝缘电阻：要求>1010欧姆 3. 应变片的灵敏系数（K ）
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数K 表示。
注意，K 是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。 4. 机械滞后
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合。 5. 零漂和蠕变
零点漂移：对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性。
蠕变：如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性。 6. 应变极限
在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。 7. 允许电流：静态25mA, 动态：75～100mA 8. 横向效应
若将应变片粘贴在单向拉伸试件上，这时各直线段上的金属丝只感受沿其轴向拉应变εx ，故其各微段电阻都将增加，但在圆弧段上，沿各微段轴向(即微段圆弧的切向) 的应变却并非是εx 。所产生的电阻变化与直线段上同长微段的不一样，在θ=90°的微弧段处最为明显。
K =
∆R
R
由于单向位伸时，除了沿轴向(水平方向) 产生拉应变外，按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变εy （=－μεx ），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。 二. 转换电路
如图所示。电源E 为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方程：
⎧I 2=I 1+I 0⎪I =I +I 340⎪⎪
⎨I 3R 3+I 4R 4=U i
⎪I R +I R -I R =0
0011
⎪33⎪⎩I 4R 4-I 2R 2-I 0R 0=0
联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流I o 为:
142300整理得：
设R 1为应变片的阻值，工作时R 1有一增量ΔR 1，当为拉伸应变时，ΔR 1为正；压缩应变时，ΔR 1为负。在上式中以R 1+ΔR 1代替R 1，则 三. 具体实验原理
在这里我们应变片选用两臂差动电桥（如图）
R1为压应变片； R2为拉应变片； 此时输出电压为： U 0=U i ⎢
⎡
R 3⎤R 1+∆R 1
-⎥
R +∆R +R +∆R R +R 12234⎦⎣1
根据应变片转换基本公式∑R=Kε （K 为应变片灵敏系数） 当组成差动工作时∑R=2ΔR ／R
所以无需考虑非线性误差。 四. 理论实验过程
1. 通过一种装置可以将水的压力通过弹性弹簧传至柱式传感器，传感器的形变反映出电压的变化
2.通过对简易柱式力传感器的测量，即两应变片和固定电阻组成的差动电桥得出的读数，经过放大和滤波得到U0。 我们设计的仿真电路如图：
（仿真电路中包括两级10倍的放大，和一级的滤波） 应用万用表读出最后的电压100U0 根据公式计算出梁上的剪应力ε 五. 传感器实际中的应用
应变式压力传感器应用
应变式压力传感器是压力传感器中应用比较多的一种传感器，它一般用于测量较大的压力，广泛应用于测量管道内部压力、
内燃机燃
气的压力、压差和喷射压力、发动机和导弹试验中的脉动压力，以及各种领域中的流体压力等。[1] 4种应变式压力传感器 应变管式
又称应变筒式。它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接。在筒壁上贴有2片或4片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片, 另一半作为测量应变片。当没有压力时 4片应变片组成平衡的全桥式电路; 当压力作用于内腔时, 圆筒变形成“腰鼓形”,使电桥失去平衡, 输出与压力成一定关系的电压。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。 膜片式
它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计(见电阻应变计) 则能最大限度地利用膜片的应变效果。这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身，即
采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器（见压阻式传感器）。
应变梁式
测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构。一种方法是用膜片把压力转换为力再通过传力杆传递给应变梁。图3中两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。这种结构还有其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。 组合式
在组合式应变压力传感器中，弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。感受元件把压力转换为力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。实际上较复杂的应变管式和应变梁式都属于这种型式。感受元件有膜片、膜盒、波纹管、波登管等，弹性应变元件有悬臂梁、固定梁、Π形梁、 环形梁、薄壁筒等。它们之间可根据不同需要组合成多种型式。 应变式压力传感器主要用来测量流动介质动态或静态压力，例如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。
11
结论
1. 经过此次三级项目的制作与学习，不仅使我们对图像匹配算法有了更深的了解和认识，还加强了我们组内成员之间的沟通协作能力，让我们最感兴趣的是大家在一起共同探究，集思广益，各抒己见，这种形式让大家的观点来得更直接、更朴素、更真实。在交流中得到启发，得到快乐。
2. 基于傅立叶变换的匹配，这些匹配方法对噪声不敏感，检测结果不受照度变化影响，可以较好的处理图像之间的旋转和尺度变化。所以采用此变换方式来进行研究。
3此匹配方法的优点：对噪声不敏感，检测结果不受光照变化影响。有成熟的快速算法并且易于硬件实现。缺点：该方法仅符合存在平移量的剧像间的配准，然而在实际中，图像间不仅存在平移量的不同，而且还有旋转角度、缩放尺度等的不同。（改进的方法中对此有所解决）
4. 基于傅立叶变换的匹配，这些匹配方法对噪声不敏感，检测结果不受照度变化影响，可以较好的处理图像之间的旋转和尺度变化。所以采用此变换方式来进行研究。
5. 经过此次三级项目的制作与学习，不仅使我们对图像匹配算法有了更深的了解和认识，还加强了我们组内成员之间的沟通协作能力，让我们最感兴趣的是大家在一起共同探究，集思广益，各抒己见，这种形式让大家的观点来得更直接、更朴素、更真实。在交流中得到启发，得到快乐。
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传感器三级项目设计（论文）
简易水压测力装置
姓 名：陈鹤天 指导教师：童凯
日 期：2014/12/5
燕 山 大 学
利用金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下有电阻值变化的效应（电阻应变效应）。通过设计机械结构将应力传递给电阻应变片，最后通过差动电桥将应力转换为电压，进而通过对电压的测量实现对应力的测量。可以测量出水压等一系列正应力， 关键词：正应力，电阻应变效应，传递，测量
一. 摘要
二. 前言
三. 正文
1应变片基础知识
2 应变片的主要参数及其特征 3转换电路的实现 4实验原理 5理论实验过程 6四种应变片拓展
正文
一. 电阻应变片和光学应变片
电阻应变片
电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。
半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。
应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
金属电阻应变片品种繁多，形式多样，常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻 应变片。
箔式电阻应变片是一种基于应变——电阻效应制成的，用金属箔作为敏感栅的，能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。 光学应变片
光学应变计一般采用不超过 4-9 微米直径的布拉格光栅 玻璃纤维 制造。
一般来说, 人的头发直径为60-80微米. 纤维芯被直径大约125 微米的纯玻璃覆盖层所包围。
基于布拉格光栅的应变片有以下优势： 1. 对电磁场不敏感 2. 可以用于可能爆炸的环境
3. 高震动负载情况下，材料（玻璃）不会产生故障
4. 可以测量更大的应变，一般电阻应变片的最大应变为数百微应变，而光学应变片的可测量的最大应变为7000微应变
5. 更少的连接线，因此会对测试物体产生更少的干扰 6. 互连需要大量的传感器，不同的布拉格波长可以集成在一个光纤中.
二. 应变片的主要参数及其特征 1. 应变片电阻值（R0）
应变片的种类可分为1. 金属丝式应变片 2.金属箔式应变片3. 金属薄膜式应变片；电阻值分为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω 等多种规格，以120Ω最为常用。在这里我们运用的是350Ω的应变片。 2. 绝缘电阻：要求>1010欧姆 3. 应变片的灵敏系数（K ）
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数K 表示。
注意，K 是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。 4. 机械滞后
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合。 5. 零漂和蠕变
零点漂移：对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性。
蠕变：如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性。 6. 应变极限
在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。 7. 允许电流：静态25mA, 动态：75～100mA 8. 横向效应
若将应变片粘贴在单向拉伸试件上，这时各直线段上的金属丝只感受沿其轴向拉应变εx ，故其各微段电阻都将增加，但在圆弧段上，沿各微段轴向(即微段圆弧的切向) 的应变却并非是εx 。所产生的电阻变化与直线段上同长微段的不一样，在θ=90°的微弧段处最为明显。
K =
∆R
R
由于单向位伸时，除了沿轴向(水平方向) 产生拉应变外，按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变εy （=－μεx ），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。 二. 转换电路
如图所示。电源E 为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方程：
⎧I 2=I 1+I 0⎪I =I +I 340⎪⎪
⎨I 3R 3+I 4R 4=U i
⎪I R +I R -I R =0
0011
⎪33⎪⎩I 4R 4-I 2R 2-I 0R 0=0
联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流I o 为:
142300整理得：
设R 1为应变片的阻值，工作时R 1有一增量ΔR 1，当为拉伸应变时，ΔR 1为正；压缩应变时，ΔR 1为负。在上式中以R 1+ΔR 1代替R 1，则 三. 具体实验原理
在这里我们应变片选用两臂差动电桥（如图）
R1为压应变片； R2为拉应变片； 此时输出电压为： U 0=U i ⎢
⎡
R 3⎤R 1+∆R 1
-⎥
R +∆R +R +∆R R +R 12234⎦⎣1
根据应变片转换基本公式∑R=Kε （K 为应变片灵敏系数） 当组成差动工作时∑R=2ΔR ／R
所以无需考虑非线性误差。 四. 理论实验过程
1. 通过一种装置可以将水的压力通过弹性弹簧传至柱式传感器，传感器的形变反映出电压的变化
2.通过对简易柱式力传感器的测量，即两应变片和固定电阻组成的差动电桥得出的读数，经过放大和滤波得到U0。 我们设计的仿真电路如图：
（仿真电路中包括两级10倍的放大，和一级的滤波） 应用万用表读出最后的电压100U0 根据公式计算出梁上的剪应力ε 五. 传感器实际中的应用
应变式压力传感器应用
应变式压力传感器是压力传感器中应用比较多的一种传感器，它一般用于测量较大的压力，广泛应用于测量管道内部压力、
内燃机燃
气的压力、压差和喷射压力、发动机和导弹试验中的脉动压力，以及各种领域中的流体压力等。[1] 4种应变式压力传感器 应变管式
又称应变筒式。它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接。在筒壁上贴有2片或4片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片, 另一半作为测量应变片。当没有压力时 4片应变片组成平衡的全桥式电路; 当压力作用于内腔时, 圆筒变形成“腰鼓形”,使电桥失去平衡, 输出与压力成一定关系的电压。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。 膜片式
它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计(见电阻应变计) 则能最大限度地利用膜片的应变效果。这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身，即
采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器（见压阻式传感器）。
应变梁式
测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构。一种方法是用膜片把压力转换为力再通过传力杆传递给应变梁。图3中两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。这种结构还有其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。 组合式
在组合式应变压力传感器中，弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。感受元件把压力转换为力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。实际上较复杂的应变管式和应变梁式都属于这种型式。感受元件有膜片、膜盒、波纹管、波登管等，弹性应变元件有悬臂梁、固定梁、Π形梁、 环形梁、薄壁筒等。它们之间可根据不同需要组合成多种型式。 应变式压力传感器主要用来测量流动介质动态或静态压力，例如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。
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结论
1. 经过此次三级项目的制作与学习，不仅使我们对图像匹配算法有了更深的了解和认识，还加强了我们组内成员之间的沟通协作能力，让我们最感兴趣的是大家在一起共同探究，集思广益，各抒己见，这种形式让大家的观点来得更直接、更朴素、更真实。在交流中得到启发，得到快乐。
2. 基于傅立叶变换的匹配，这些匹配方法对噪声不敏感，检测结果不受照度变化影响，可以较好的处理图像之间的旋转和尺度变化。所以采用此变换方式来进行研究。
3此匹配方法的优点：对噪声不敏感，检测结果不受光照变化影响。有成熟的快速算法并且易于硬件实现。缺点：该方法仅符合存在平移量的剧像间的配准，然而在实际中，图像间不仅存在平移量的不同，而且还有旋转角度、缩放尺度等的不同。（改进的方法中对此有所解决）
4. 基于傅立叶变换的匹配，这些匹配方法对噪声不敏感，检测结果不受照度变化影响，可以较好的处理图像之间的旋转和尺度变化。所以采用此变换方式来进行研究。
5. 经过此次三级项目的制作与学习，不仅使我们对图像匹配算法有了更深的了解和认识，还加强了我们组内成员之间的沟通协作能力，让我们最感兴趣的是大家在一起共同探究，集思广益，各抒己见，这种形式让大家的观点来得更直接、更朴素、更真实。在交流中得到启发，得到快乐。
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