電子稱的設(shè)計傳感器

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計說明書題目： 電子秤的設(shè)計學(xué)院（系）：電氣工程學(xué)院年級專業(yè):12 級學(xué) 號:學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師:教師職稱:燕山大學(xué)傳感器原理與設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）12級設(shè)計題目電子秤的設(shè)計設(shè)選擇傳感器設(shè)計并制作電子秤計1）量程 01.999Kg技2）彈性元件可選用懸臂梁術(shù)參院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系設(shè) 計 要 求1.理論設(shè)計方案及論證2.傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析、參數(shù)計算3.完成恒流源、轉(zhuǎn)換電路、放大電路的設(shè)計，利用Protel 或EWB等有關(guān)工具 軟件繪制電路原理圖，或?qū)﹄娐愤M(jìn)行仿真，或 進(jìn)行制作調(diào)試。4.提交課程設(shè)計說明書周1 :收集資料及擬

2、定設(shè)計方案周2周4:測量電路設(shè)計、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計周5周6:單片機(jī)電路與程序、顯示部分設(shè)計 周日：撰寫設(shè)計說明書，準(zhǔn)備答辯。1.2.唐文彥 傳感器（第4版）機(jī)械工業(yè)出版社 2007年李科杰新編傳感器技術(shù)手冊國防工業(yè)出版社 2002年3.其他：傳感器原理、接口電路、設(shè)計手冊類參考書簽字指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。2014年12月12日摘要稱重技術(shù)是日常生活不可獲缺的技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，稱重技術(shù)和稱重裝置 也獲得了廣泛的發(fā)展?；陔娮钁?yīng)變傳感器的電子稱以其制作簡單、成本低、量程大、 精度高等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展

3、。電阻應(yīng)變式傳感器是以電阻應(yīng)變效應(yīng)為基本原理的電阻式傳感器。它由彈性敏感元 件、電阻應(yīng)變計、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計一起變形。電阻應(yīng) 變計再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測量力、扭矩、位移等多種物理量。本文介紹了一種基于電阻應(yīng)變式的稱重傳感器的電子秤的設(shè)計，其中包括惠斯通全 橋電路的設(shè)計和搭建、0P 07組成的放大電路的設(shè)計、AD7705組成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及轉(zhuǎn)換后數(shù)字采集和顯示的實現(xiàn)。詳細(xì)敘述了該稱重傳感器的參數(shù)設(shè)計，并驗證其可行性。關(guān)鍵字：傳感器、電阻應(yīng)變、差動電橋、放大電路、AD轉(zhuǎn)換目錄第

4、 1 章 概論1.1調(diào)研的意義1.1.1 課題背景1.1.2 調(diào)研意義1.2研究現(xiàn)狀 .1.2.1 國內(nèi)外電子稱的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.2 典型電子稱產(chǎn)品舉例1.3為電子稱設(shè)計進(jìn)行的準(zhǔn)備 .第 2 章 電子稱的具體設(shè)計方案2.1 敏感元件的介紹 .2.1.1 電阻應(yīng)變片的工作原理2.1.2 彈性元件2.2 匹配電路的設(shè)計 .2.2.1 元器件選擇與功能描述2.2.2 測量電路的設(shè)計2.2.3 差動放大電路單元2.2.4 A/D 轉(zhuǎn)換單元2.2.5數(shù)據(jù)處理與顯示部分第 3 章 仿真電路3.1 仿真電路的建立 .3.2 仿真電路結(jié)果分析1111第 4 章 體會與收獲 參考文獻(xiàn)1.1調(diào)研的意義第

5、 1章 概論1.1.1 課題背景電子稱重技術(shù)是從 50 年代中期電子技術(shù)深入到衡器的輔助測量技術(shù)， 從60 年代初出現(xiàn)了機(jī)電結(jié)合電子衡器開始，迅速發(fā)展成為一門新興技術(shù)，它是應(yīng)用電子集傳感器技術(shù)、 微電子技術(shù)、 計算機(jī)控制及測試技術(shù)、 機(jī)械制造自動化技術(shù)為 一體的綜合技術(shù)， 是現(xiàn)代稱重計量和控制系統(tǒng)工程的重要技術(shù)基礎(chǔ)。稱重技術(shù)開發(fā)的電子稱重系統(tǒng)具有廣闊的領(lǐng)域和較強(qiáng)的滲透性。1.1.2 調(diào)研意義在我們生活中經(jīng)常都需要測量物體的重量，于是就用到稱。 隨著計量技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，純機(jī)械結(jié)構(gòu)的桿秤、臺稱、磅秤等稱量裝置逐步被淘汰。電子稱量裝置如電子稱、電子天平等以其準(zhǔn)確、快速、方便、顯示直觀等諸多優(yōu)點

6、而受到人們的青睞。 電子稱向提高精度和降低成本方向發(fā)展的趨勢引起了 對低成本、 高性能模擬信號處理器件的增加。 其中電阻應(yīng)變式傳感器電子稱在 各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究和設(shè)計完善電子稱可以使現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用于生 活，使國民生活更加方便、快捷、智能化。1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)外電子稱的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢國內(nèi)電子稱量技術(shù)基本達(dá)到國際上 20世紀(jì) 90年代中期的水平，少數(shù)產(chǎn)品的技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。國內(nèi)的電子稱市場中， 1009 左右量程的電子稱 精度一般為 0.019 。在研究方法上，電子稱量系統(tǒng)的工作原理一般是將作用在 承載器上的質(zhì)量或力的大小通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號， 并通過處理電路

7、實 現(xiàn)該信號。 隨著技術(shù)的發(fā)展， 電子秤的制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新的發(fā)展， 電子 秤技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展： 計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展； 測量他點從單參數(shù)向多參數(shù)發(fā)展。 特別對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。 但 就總體而言， 我國電子秤產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還有差距。 但 近年來國家投入重點研發(fā)資金，讓其發(fā)展不斷加快。在國際上，一些發(fā)達(dá)國家在電子稱重方面已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。 特別是 在準(zhǔn)確性和可靠性方面有了很大的提高。成果舉例如下：(1) 美國Revere公司研制出PUS型具有大氣壓力補(bǔ)償功能的拉壓兩用的稱重傳感器，用于高準(zhǔn)確度檢驗平臺，準(zhǔn)確度可達(dá)5000d。(2)

8、 德國HBM公司成功研制出C2A C16A兩種不同結(jié)構(gòu)的1 100t具有耐壓外殼保護(hù)的防爆稱重傳感器，其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018d級標(biāo)準(zhǔn)。(3) 美國斯凱梅公司研制出新一代高準(zhǔn)確度不銹鋼F60X系列55000kg稱重傳感器，準(zhǔn)確度6000d。用于濕度大、腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中，而且防水。通過分析今年來電子秤產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子秤總 得發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、 準(zhǔn)備度高、 穩(wěn)定性高、 可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制 信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。1.2.2 典型電子稱產(chǎn)品舉例

9、電子稱產(chǎn)品的種類眾多，下面兩個是平時常用電子稱的典型代表1 )人體稱重電子稱2)商業(yè)電子臺秤1.3 為電子稱設(shè)計進(jìn)行的準(zhǔn)備電子稱有諸多種類，其中電阻應(yīng)變傳感器的電子稱以其制作簡單、 成本低、量程大、精度高等優(yōu)點， 得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。 我們此次就是要設(shè)計電阻應(yīng)變式傳感器的電子稱。電阻應(yīng)變式傳感器具有測量范圍廣、精度高、誤差小和線性度好等優(yōu)點，且能在惡劣條件下工作， 在力、壓力和重量測試方面有著廣泛的應(yīng)用， 力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。電阻應(yīng)變式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)換為電阻的變化， 通過 測量電阻值的變化達(dá)到測量非電量的目的。電阻應(yīng)變式電子稱是

10、利用彈性體彈性元件， 敏感梁等）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形， 使粘貼在他表面的電阻 應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變 化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而 完成了將外力變換為電信號的過程。 電阻應(yīng)變片、 彈性體、 檢測電路和數(shù)據(jù)處 理顯示部分是電阻應(yīng)變式電子稱中不可缺少的部分。第 2 章 電子稱的具體設(shè)計方案2.1 敏感元件的介紹2.1.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。當(dāng)他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長

11、，其橫截面積則縮小，即它的截 面圓半徑減少。電阻應(yīng)變片的電阻變化率 （電阻相對變化） 和電阻絲伸長率（長 度相對變化）之間成比例的關(guān)系。設(shè)一個有效長度為1、截面積為A、電阻率為 的金屬應(yīng)變片，原始電阻R2.1.1-1 )上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化 , 求導(dǎo)數(shù)可得(2.1.1-2 )代入 R 1/A得(2.1.1-3 )由于金屬體積不變，可以知道(2.1.1-4 )可以知道dR AdldRRdrrdRRA2dAdl dAldlT(2.1.1-5 )對金屬材料，導(dǎo)電率不變，式（2.1.1-5最終可化簡為(2.1.1-6 )式（2.1.1-6）稱為“應(yīng)變效應(yīng)”的表達(dá)式。K稱為金屬電阻絲的靈

12、敏度系 數(shù)，從式（2.1.1-6）中可知，對于金屬電阻應(yīng)變片，電阻的相對變化只跟金屬 電阻絲的靈敏度系數(shù)K有關(guān)，通常有K 2。 通常很小，常用10 6表示。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變u 。對金屬材料而言，當(dāng)它受力所產(chǎn)生的 軸向應(yīng)變最好不大于10000，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。因此，可以通過測量電阻應(yīng)變片的電阻變化來達(dá)到測量應(yīng)變的目的。2.1.2彈性元件本設(shè)計以等強(qiáng)度梁為彈性元件。等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)如圖所示，是一種特殊的 懸臂梁。其特點是：沿梁的長度方向的截面按一定規(guī)律變化， 集中力F作用在 兩端三角頂點上時，距作用力任何距離截面的應(yīng)力相等， 故在對L上黏貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。

13、假設(shè)梁的固定端寬度為bO,自由端的寬度為b,梁長為L,梁厚為耳圖2.1.2 1等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)懸臂梁的特性，當(dāng)重力作用在自由端是，最大彎曲應(yīng)力為6l2 W boh(2.1.2-1 )則應(yīng)變?yōu)?612 WEbOh2E(2.1.2-2)式中,被測物體重力梁的厚度bO固定端寬度梁長彈性模量根據(jù)式(2.1.2-1)和彈性強(qiáng)度理論，可寫出強(qiáng)度條件:6lbhT (2.1.2-3)2.2匹配電路的設(shè)計2.2.1元器件選擇與功能描述限制量程寬度和分辨率的因素主要有懸臂梁的強(qiáng)度、電阻應(yīng)變片的的線性 范圍、放大電路的放大特性和 AD轉(zhuǎn)換電路的量程。其中任何一個因素變化都會影響電子稱測量效果。只有選擇適當(dāng)?shù)?/p>

14、參數(shù)才可以滿足設(shè)計的要求。經(jīng)過計算與分析，選用常用的1000 Q的金屬應(yīng)變片組成全橋電路，采用OP07組成的儀用放大器進(jìn)行微弱信號放大。用AD7705乍為模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸出電壓，并利用AT89C52單片機(jī)進(jìn)行軟件較零，最后輸出到數(shù)目管顯示數(shù)據(jù)。下圖是所設(shè)計電子稱得工作流程圖。所設(shè)計電子稱具有2000g的量程和1g的分辨率，能夠達(dá)到設(shè)計要求。2.2.2測量電路的設(shè)計為了消除非線性誤差及溫度誤差對測量結(jié)果的影響， 設(shè)計的電阻應(yīng)變式采 用四臂差動式電橋測量電阻。距固定端較近的表面順著亮的長度方向分別貼上R1,R3,和R2, R4（R2, R3在底部）的電阻應(yīng)變片，如圖若R1，R3承受拉力,則R2,

15、R4承受壓力。兩者應(yīng)變相等，極性相反。圖2.2.2-1電阻應(yīng)變片的安裝示意圖因此有:R1R3 R, R2 R4 R(222-1 )則差動全橋輸出電壓公式為:RU0 U-R-(222-2 )因此，電橋輸出電壓U0與上成嚴(yán)格的線性關(guān)系，消除了電橋非線性的R影響，也消除了溫度誤差的影響。輸出比單臂電橋增大四倍，靈敏度也提高四 倍。由上述所示公式推導(dǎo)出 R K R,所以R的取值范圍為0到20 Q。仿真中用980Q的固定電阻和40Q的滑動變阻器等效替代1000Q的應(yīng)變片。其等效 電路如圖所示。R 0時的測量電橋由式（222-2）可得U06LW2KU S b0h E(2.2.2-3 )6LWK0USU 0

16、boh2E(2.2.2-4 )式（222-4 ）就是傳感器的輸出電壓U。與重力W之間的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。一旦系統(tǒng)設(shè)計完成，等式右邊 W前面部分就是一個常數(shù)，u。W.。2.2.3差動放大電路單元經(jīng)過計算與分析，當(dāng)采用正5V電源供電時，1g物體對應(yīng)的壓力導(dǎo)致的輸 出的電壓約為0.05mv,是非常微弱的電壓信號。要想使 AD能夠不失真的轉(zhuǎn)換此信號，需要對該微弱信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理。 本設(shè)計選用的放大電路為儀用 放大器。該儀用放大器由三個OP07組成。OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的 雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由三個運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大器具有以下特點：輸入緩沖電路增加了輸入阻抗，差分電壓按 12

17、*(/)FGRR 的增益系數(shù)被 放大，而共模信號講義單位增益通過輸入緩沖器，即不增加共模增益和誤差； 改變滑動變阻器的阻值即可調(diào)整差分增益；用實現(xiàn)了輸出級點則比率匹配方式 調(diào)節(jié)共模抑制比CMRR因為調(diào)節(jié)電阻的比率比調(diào)整電阻的絕對值要容易；另 外，由于儀表放大器在結(jié)構(gòu)上的對稱性，輸入放大器的共模誤差將被輸出級的 減法器消除。因此，儀表放大器常被用來放大橋接傳感器的差分輸出以及維系 電橋接收器輸出信號，并同時抑制較大的共模電壓。本設(shè)計結(jié)合差動電橋的輸出電壓與 AD轉(zhuǎn)換器件的靈敏度，將電橋的輸出 電壓放大35倍。增益G = 35，Rg選擇1000Q的阻值，放大器電路連接圖如圖2.2.3-1 所示，其

18、中 R6 R7 5k R4 R5 1k R2 R3 3kUo更 135 V V -R4 R1(2.231 )2.2.4 A/D轉(zhuǎn)換單元要實現(xiàn)1/2000的分辨率，至少需要12位的A/D轉(zhuǎn)換器,這里我們選用16 位的AD7705取參考電壓10V和0V,則AD7705所能分辨的最小電壓為1.53mv。而差動放大電路的輸出電壓靈敏度為1.75mv/g，可見設(shè)計的AD符合電路的要 求。但是在進(jìn)行Multisim 仿真時，由于缺少響應(yīng)的器件，因此在仿真電路中 用16位的通用AD替代。AD7705是完整的16位A/D轉(zhuǎn)換器，它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的?？梢垣@得16為無誤碼數(shù)據(jù)輸出。它的增益可以編

19、程，能將不同的擺幅 范圍的各類輸入信號放大到接近 A/D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。為了滿足實驗要求，給 AD7705提供10V的參考電壓。仿真實驗中用通用AD代替，電路圖如圖224-1所示。AD轉(zhuǎn)換器的16個輸出引腳連接AT89C51單片機(jī)的P0和P2 口。參考電壓選擇10V和0V, EOC懸空。圖 通用 AD 與 AT89C52 的電路連接圖2.2.5 數(shù)據(jù)處理與顯示部分本設(shè)計利用AT89C51單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。測量電路輸出的微弱信號經(jīng)OP07組成的儀用放大電路放大和 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字量變化密集，直接顯示無法穩(wěn)定， 且由于彈性元件的彈性缺陷以

20、及干擾信號的干擾， 因此需要 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后在顯示。由于放大器的輸出為1.75mv/g,而在上述給定條件下AD7705的靈敏度可達(dá)1.53mv，當(dāng)量程為0-1.999Kg時理論精度高于1g，可達(dá)到實驗要求；隨后 單片機(jī)將采集到的數(shù)字量進(jìn)行相應(yīng)處理后輸出到數(shù)碼管。顯示部分采AT89C51單片機(jī)驅(qū)動數(shù)碼管實現(xiàn)動態(tài)掃描顯示，有軟件控制刷 新頻率。與單片機(jī)的電路連接圖如 2.2.5-1 所示。四個共陰極數(shù)碼管從左到右分別顯示測試結(jié)果千位、百位、十位、個位。它們的公共端依次連接在 P1 口的0，1，2，3引腳。另外一端連在P3 口上。第 3 章 仿真電路3.1 仿真電路的建立綜合前兩章的介紹，這里給

21、出仿真電路。圖 3.1-1 Multisim 建立的仿真電路對Multisim自帶HITECH編譯器對MCUt行編程，以達(dá)到預(yù)期的效果。程 序的基本思路如下：將檢測到的P0和P2數(shù)值進(jìn)行整合，得到的數(shù)值即為A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值;將A/D的輸出值按照設(shè)計的計算方法進(jìn)行計算；將計算結(jié)果千位、百位、十位、 個位分別顯示在四位數(shù)碼管上。其具體程序如圖3.1-2所示。圖3.1-2 51單片機(jī)的程序3.2仿真電路結(jié)果分析通過計算，1g對應(yīng)40滑動變阻器的0.025%。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來模擬加在電子稱的上的重物?？梢缘贸霰?.2-1 0表3.2-1 仿真電路測試結(jié)果仿真結(jié)果/g理論值/g20-10035001994200015-7526251494150010-50175099610005-258754985001-5175981000.5-2.587.5548500.2-135.0618200.1-0.517.5610100.05-0.2629.345