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1、应变片测量、系统组成框图电阻应变式传感器是应用广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上,可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。电阻应变式传感器具有结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，易于实现测 试过程自动化 和多点同步测量、远距测量和遥测，灵敏度高，测量速度快，适合 静态、动态测量，可以测量 多种物理量等诸多优点，已广泛应用于航空、机械、 电力、化工、建筑等领域。本课题采用的是以8051系列的AT89C2051单片机为核心开发电阻应变片重力测试的系统。系统硬件原理框图如图1-1 :图2-1系统框图系统框图如图2-1所示，电阻应变式传感器采集到重力信号
2、传送给LM324集成运算放大器，LM324集成运算放大器是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。经过A/D转换，将转换的数字信号发给显示电路显示，显示电路是由四位独立数码管组成。电阻应变片重力测试原理电阻应变片简介：电阻应变片作为传感元件，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，应变片也随之变形而使应变片的电阻发生变化。电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，其工作原理是基于电阻应变效应。电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之 外，还与金属丝的 长度，横截面积有关。将金属丝
3、粘贴在构件上，当构件受 力变形时，金属丝长度和横截面积也 随着构件一起变化，进而发生电阻变化。dR/R=Ks* &其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。&为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号& &表示。由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变 眄电阻变化率dR/R成线 性关系，这就是利 用金属应变片来测量构件应变的理论基础。三、电阻应变式传感器重力测试系统的单元电路介绍1、电阻应变式传感器的介绍、结构和类型电阻应变式传感器(straingaugetype transducer )以电阻应变计为转换元件的电阻式
4、传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成, 可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。图3-1电阻应变片的基本结构1-基底；2-敏感栅;3-覆盖层;4-弓|线显示单元应变半导体应变电桥供出电源输出电压U图1.基于应变式称重传感器的电子秤系统框图2、电阻应变式传感器的测量电路常规的电阻应变片K值很小，约为2,机械应变度约为0.0001 0.001.所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005 0.1欧姆
5、，所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变片传感器中做常用的是桥式测量电路。桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U,另一个对角线为输出电压U0,。起特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量,所以电桥能够精确的测量微小的电阻变化。电路图如下图所示：其中 R 仁 R2=R3=R4=350 Q3、A/D 转化器(ADC0809)A/D0809是一个带有8路二位A/D转换器，8路多路开关以及微处理兼容的控制逻辑CMOS组件ADC0809的内部逻辑结构：ABCALE弓I脚结构INCIN
6、IDT2IH3OT4IN5欣IN78路模报M开关址存译器 地锁与码202523224、ADC0809应用说明1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与 8051直接相连。2）初始化时，使ST和0E信号全为低电平。3 ）送要转换的哪一个通道的地址到A,B,C端口上。4 ）在ST端给出一个至少有100ms宽的正脉冲信号。5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。6 ）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据被输出给单片机四、电阻应变式电子称电路设计rTX BOCT1、供电电源设计称重传感器的电源是由2个OP-07和互补对管Q1与Q2组成称重传感器的第二级稳压电源，如图所示。这一级
7、起到高精度稳压作用，其原理：（1） _ 15V的三端稳压集成电路作为预稳压电源。（2）选用低温漂特性的运放OP-07,以降低运放受温度影响所产生的温漂。（3）从图可见，U2、U3两个运放的输入端均接于精密电压基准源MC1403的输出端上而被钳位，可以认为U2、U3输出电压的误差不会来自输入端。（4） Q1与Q2是一对互补对管，U2、U3的负反馈电路分别通过这对互补管的发射极。当温度上升时，6的输出电压上升，Q1的Veb上升，Iab上升。但是U3得输出电压也随之上升，导致Q2的Veb电压下降，Rec增大，使Iab下降，Vab维持了动态平衡；反之亦然。（5）由于正负三端稳压电源的作用，以及由U2、
8、N,和U3、N2组成的对称电源结构，称重传感器电桥在无负载时Vc =0、Vd =0。并且由于高阻抗使电桥产生浮地效果，完全免除地线带来的干扰。综上述处理是传感器电桥电压达到十分稳定的效果，如果电桥的四臂 应变片的阻值相等，由于受到压力使电桥对臂阻值同时增大和减小，则电桥电压的精度将直接传递到电桥输出端。BNPNAUT. 1403DGNP :-AGNBVCC15V515si. . . H.iokLBJT NPN - RJED三-U3RTT:5k!,a/v1GND : AGND一vfe二WEE -15V2、称重传感器调零电路GXD-4.运算放大电路2. 中标 ABCD 部分是称重传感器全桥电路。电
9、桥输出端对角线上接一个1ORL- - .R9GNDG =电(1 + 凶=250 R17R20R2050% 二GMD :RATE DVCD卜卜，|工工10 K门电位器，滑动端通过100心.】电阻接与电桥电源负端。这是为了客服制造工艺不完全对称性而设计的，同时兼做去皮重电路。调节R9可使VAB电位差等于10V, VCD的输出范围为 0-15mV。3、放大电路放大电路是由四个ICL7650组成差分输入单端输出的专用仪表放大电路。放大电路主要特点是：（1）采用ICL7650斩波自温零高精度放大器，能比较好的抑制共模电压干扰。（2）双端输入分别进入测量放大器的同相端，所以输入阻抗大，能克服电桥传感器输出
10、阻抗低的特点。（3）极低的温漂系数。（4）加一级低通有源滤波器以滤除由于放大器ICL7650内时钟斩波频率引起的尖峰脉冲干扰。(10)调整R20使放大倍数为：图5.放大电路4、V/F转换电路V/F控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生变频。LM331是性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工iO7G!USCPD内和低到VDD 7G50S40V电源电压下都有极|13 1人R?
11、4R23 :二 A/V%eraT.ODH-.高的精度。LM331的动态范围宽，可达 100dB ;线性度好，最大非线性失真小于0.01 %工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。本系统采用电压/频率转换器LM331。其特点是：体积小，精度高，价格低，串行输出，占用CPU的I/O线少。其最突出的不足之处是转换速度慢。以下是LM331 一些主要技术指标：(1)最大线性度0.01%, ( 2 )满量程频率范围1HZ? 100KHZ图6 LM331的简化功能框图工作原理：图6
12、为电压/频率转换器LM331的简化功能框图。内能隙基准电路产生1.9V直流电压)送到2脚，外接Rs形成基准电流 匚1.9/R so( 1=50? 500uA)。输入电压Vin送比较器，引脚6通常与1脚连接，当K合上后流过恒电流在RL上产生压降Vx作为阈值电压。在单脉冲定时器上设有定时比较器，一个输入端恒接2/3V cc作为参考电压，另一个输入端接引脚5O V52/3V cc单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开，又迫使驱动晶体管截止。复位后使引脚5与地短接，电容C上的电荷释放，电压下降。使V5VX输入比较器使Rs触发器产生启动信号使K闭合，基准电流向Cl充电。使Vx上升，K断开，CL
13、向直至VxVin 0输入比较器翻转,迫使单脉冲定时器产生复位信号使Rl放电，使VVno此时驱 动晶体管与通。从波形图看,VxVn 后,要关闭K是发生在V52/3V cc时亥U,而使驱动晶体管截止是在VxVn时刻。对Cl充电平均电流：R.放电电流 V x/R L=Vn /Rlo显然,LM331工作时:I ave = i*t*F out , Cl 对 充电平均电流=放电电流：1 AVE J t Fout 二 Vin / RFout -FOUtVin(11)Rlat图7 LM331的工作波形当前，12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵，用V/F变换器来代替A/D转换器，在要求速(72JP1.0C(T2EX|P1.1 匚P1,2 匚P1JEP1.4CP1.5 匚P1.6C度不太高的场合是一种较好的选择。从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA126P1.7CRST匚i： RXD)P3.0C仃XDJP3 1匚放大到0? 10V后加到V/F变换器(IN3P3,2 匚(丽jP3.3匚LM331的输入端，从频率输出端 f o输出的
