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1、东北石油大学课程设计课程传感器课程设计题 目 称重传感器应用电路设计 院系电气信息工程学院专业班级测控2009-1学生姓名黄俊学生学号指导教师殷海双路敬祎2012 年 6 月 25任务书课程传感器课程设计题目称重传感器应用电路设计专业测控技术与仪器姓名 学号090601240128主要内容：使用称重传感器，设计一台电子称电路，可称重5千克，精度10克。 设计开始先查阅相关资料，如元器件资料、方案选择等，可以使用单片机方案， 也可以使用模拟电路方案，设计显示电路时显示 *.*千克，并有相应的手动校正电 路。基本要求：1设计以测量显示部分电路为主；2要绘制原理框图；3绘制原理电路；4要有必要的计算
2、及元件选择说明；5提供元件清单；6如果采用单片机，必需绘制软件流程图主要参考资料：1 黄贤武，郑筱霞传感器原理与应用M.电子科技大学出版社,20042 王琦.电阻应变式称重传感器的设计J.木材加工机械.2005(3)3 缪少勇.浅谈称重传感器工作原理及故障排除J.科学之友.2010(14)4 施昌彦.称重传感器计量规程J.试验技术与试验机.1987(4)5 张国维.测控电路M.机械工业出版社,2007完成期限20126252012629指导教师专业负责人2012年 6 月 25 日摘要在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到秤，但是随着社会的 进步、科学的发展，我们对其要求操作方便、易
3、于识别。随着计量技术和电子技 术的发展传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量 装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人 们的青睐。电阻应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性度好等优 点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重量测试中有非常广泛的应用，力传 感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。所以电阻应变 式力传感器制作的数显电子秤具有准确度高易于制作，简单实用、成本低廉、体 积小巧、携带方便等特点。关键词：称重传感器、电阻应变计、精度、显示目录一、设计要求 1二、方案设计 11、方案说明 12、方案论证 2三、
4、传感器工作原理 2四、电路的工作原理 4五、单元电路设计、参数计算和器件选择 61、测量电路 62、差动放大电路 73、A/D 转换 84、显示电路设计 95、系统需要的元器件清单 10六、总结 11称重传感器应用电路设计一 、设计要求使用称重传感器，设计一台电子称电路，可称重 5 千克，精度 10克。 设计开始先查阅相关资料，如元器件资料、方案选择等，可以使用单片机方 案，也可以使用模拟电路方案，设计显示电路时显示*.*千克，并有相应的手动 校正电路。二、方案设计1、方案说明在设计系统时，针对各个电路模块实现的功能来设计电子秤的方案有以下两 种：方案一 模拟电路方案 首先利用由电阻应变式传感
5、器组成的测量电路测出物质的重量信号。其次， 由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送 A/D 转 换电路中。然后再由 A/D 转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到 显示电路。最后由显示电路显示数据，系统设计总体方案框图如图 1 所示。图 1 模拟电路总体系统框图方案二 单片机方案按照本设计功能的要求，系统由 5 个部分组成：控制器部分、信号采集部 分、报警部分、数据显示部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图 2 所示。图 2 单片机总体系统框图信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计 为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路
6、，差动放大电路，）处理后，送 A/D 转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数 字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储 到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过 键盘散转程序，对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。电 路电源部分主要是为电路提供稳定方便的电源，将工频电压直接转换成所需的5 伏电压。报警部分只要是在超重时对使用者发出警告声。2、方案论证鉴于本电子秤的设计并不太复杂，通过方案比较，由于方案一采用器件较少 成本较低，电路实现简单，且方案一完全能实现所需功能，所以在具体设计
7、时， 采用了第一种设计方案。首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，该重 量信号通过差动输入和调理放大电路后，以模拟信号的方式传送到A/D转换器。 其次，由A/D转换电路把模拟信号转换成数字信号送给数码管，最后由显示电路 显示数据。三、传感器工作原理 传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传 感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境， 这点对正确使用传感器至关重要， 它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠 性和安全性。因此传感器外围电路的抗干扰能力是数据采集部分电路设计的关 键环节。 称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆
8、线等组成，内部线路采用惠更斯 电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由式(1)给出：“ R 2 RZARARARAR、厂UO = ( 1 + 2 + 3 + 4)E(R + R) RRRR2 41234电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体(弹性元件，敏感梁) 在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同 产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，再经相 0 应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成了将外力 变换为电信号的过程。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可 缺少的几个主要
9、部分。下面就这三方面简要论述。(一)电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成 为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。设 有一个金属电阻丝，其长度为L,横截面是半径为r的圆形，其面积记作S,其电 阻率记作p,这种材料的泊松系数是卩。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻 值为 R：R = pL/S (Q)(2)当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长AL，其 横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Ar。此外，还可用实验证明，此金属电 阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Ap。对式(2)求全微分，即求出电阻丝伸长
10、后，他的电阻值改变了多少。我们有AR = ApL/S + ALp/S ASpL/S2( 3 )用式(2)去除式(3)得到AR/R = Ap/p + AL/L -AS/S( 4 )另外，我们知道导线的横截面积S = nr2，则As = 2nr*Ar，所以AS/S = 2Ar/r( 5 )从材料力学我们知道Ar/r = -yAL/L( 6 )其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。卩是表示材料横向效应泊松系数。把式(5)式(6)代入式(4)，有AR/R = Ap/p + AL/L + 2AL/L=(1 + 2卩(Ap/p) / (AL/L) *AL/L= K *AL/L( 7)其中K = 1 +
11、2卩 + (Ap/p) / (AL/L)(8)式(7)说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长 度相对变化)之间的关系。需要说明的是：灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定 的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 K 值一般在 1.73.6 之间；其次 K 值是一个无因次量，即它没有量纲。在材料力学中AL/L称作为应变，记作用它来表示弹性往往显得太大，很 不方便。常常把它的百万分之一作为单位，记作皿。这样，式(7)常写作：AR/R = Ks(9)(二) 弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传 感器所受
12、的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个 高品质的应变场(区)，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的 转换任务。(三)检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电 桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较 方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广 泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响 容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。四、电路的工作原理电子秤完整电路图如下图 3 所示，其电路构成主要有测量电路，差动放大电 路， A/D
13、 转换，显示电路。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感 器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种 新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信 号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的 作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示 电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。trf XI *UPij WU tVQ匚rt ja 2F 7 *J 4 ja 00 和 _ Mi|_逝P oa.trf q p _ 0 C_I I an an bm r r-1 rl r-| r r-1
14、 rl rri it| m rn m m rr| -arYHHJ 口 ISi 口 8口口8亠口 lead口回心西SE 汪豆 I B i INI rogfi SM S r图3电子秤完整电路图当电桥平衡时，R1=R2=R3=R4=R，此时电桥的输出V0=0,当四桥臂的应变 片受力变化后，输出变为：VO=ksE从传感器测量电路出来的模拟信号很微弱，必须通过放大器电路对其 进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。我们选择两 个运放组成的差动输入模块，该电路具有共模抑制比高和调节方便的特点，从差 动放大电路输出地信号送调理滤波电路进一步放大和调理，可以将微弱的压力信 号放大到满足A/D转换的要求。采用5kg量程的传感器，在空载时，可设定调理放大电路输出模拟量为0V， 若压力为5kg，输出模拟量为200mV，则平均每1g对应1LSB变化量，对应电压 变化值为0.4mV。五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、测量电路电阻应变片可直接粘贴在被测量的受力构件上，测量应力、应变。然而要测 量其他被测量（如力、压力、加速度等），就要先将这些被测量转换成应变，然 后再用应变片进行测量，比直接测量多了一个转换过程，完成这种转换的原件弹 性敏感原件。由弹性敏感元件和应变片，以及一些附件（补偿元件，壳体等）便 组成各种电阻应变式传感器。电阻应变片的电阻变化范围为
