課程設(shè)計(jì)-電阻應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計(jì)

1、 智能儀器綜合設(shè)計(jì)電阻應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計(jì)摘要：在分析重力傳感器信號(hào)特性的基礎(chǔ)上，模塊化地設(shè)計(jì)了稱重傳感器信號(hào)的調(diào)理電路并對(duì)其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：電路能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地處理信號(hào)，且工作穩(wěn)定，可靠，重復(fù)性好，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)精密測量的目的。關(guān)鍵詞：稱重；Lab view；電阻應(yīng)變式傳感器；放大電路。一、引言隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)高精度信號(hào)調(diào)理技術(shù)的要求也越來越高。由于傳感器輸出的信號(hào)往往存在溫漂、信號(hào)比較小及非線性等問題，因此它的信號(hào)通常不能被控制元件直接接收，這樣一來，信號(hào)調(diào)理電路就成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可缺少的一部分，并且其電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化程度直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定

2、性。在稱重傳感器信號(hào)檢測中，檢測精度受到諸多因素的影響，其中電橋激勵(lì)電壓源的精度和穩(wěn)定度是影響信號(hào)精確度的重要因素之一。電橋輸出與激勵(lì)電壓成正比，因此，激勵(lì)電壓出現(xiàn)任何漂移都將導(dǎo)致電橋輸出出現(xiàn)相應(yīng)的漂移。并且現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，可能存在粉塵、振動(dòng)、噪聲以及電磁干擾等，稱重傳感器輸出的幾百微伏至幾十毫伏信號(hào)極易受到干擾。所以研究抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好的信號(hào)變送和傳輸技術(shù)對(duì)保證檢測精度具有重要意義。二 工作原理1、 原理框圖 2、 稱重傳感器（MS-1）MS1型鋼制“S”稱重傳感器，承受拉、壓外力均可，輸出對(duì)稱性好，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、規(guī)格齊全?？捎糜谥圃鞕C(jī)電結(jié)合稱、吊鉤秤、料斗秤及各種專用稱、工藝

3、稱等。外形尺寸量程：50kg；尺寸：A=51mm；B=13mm；C=64mm；螺紋（公制mm）：M8×1.25；技術(shù)指標(biāo)：主要技術(shù)指標(biāo)單 位技術(shù)指標(biāo)靈敏度mV/V 2±0.013±0.01非線性%FS±0.02滯后重復(fù)性0.01零點(diǎn)輸出%FS±1零點(diǎn)溫度系數(shù)%FS/10±0.02額定零點(diǎn)溫度系數(shù)輸出電阻385±10輸入電阻350±10絕緣電阻M5000供橋電壓V10(DC/AC)MAX:15(DC/AC)溫度補(bǔ)償范圍1050允許溫度補(bǔ)償范圍2060允許過負(fù)荷%FS120連接電纜mm5 連接方式輸入：紅（）藍(lán)（） 輸

4、出：黃（） 白（） 標(biāo)定數(shù)據(jù)：標(biāo)定數(shù)據(jù)溫度：25 橋壓：10V.DC 阻抗：350 載荷 輸出（KG）01020304050加載（MV）03.9997.99911.99815.99819.998卸載（MV）04.0028.00111.99915.998轉(zhuǎn)換系數(shù)K:K=20-103.9995+30-203.9995+40-303.9993+50-404.00004=0.3999575應(yīng)變片測量電路：上圖為直流供電的測量電橋原理圖，其中第一臂為電阻應(yīng)變片，由應(yīng)變片引起的電阻變化為R1，當(dāng)R1=R2、R3=R4時(shí)，電橋的電壓靈敏度SU為最大，此時(shí)有：U0=14UR1R2×11+12R1R1

5、 (1)SU=U0/R1R1=14U (2)U0=14UR1R1 (3)采用差動(dòng)電橋可以消除非線性誤差。因此本設(shè)計(jì)電阻應(yīng)變式稱重傳感器選用直流供電應(yīng)變?nèi)珮?，該電橋的電壓靈敏度比單一工作應(yīng)變片的電壓靈敏度提高了4倍，且具有溫度補(bǔ)償作用。3、 放大電路R1=10K； R2=2.4K; R3=238K; R4=2.4K; R5=100K放大倍數(shù)K=(R3/R2)×(R5/R4)4100;N1 N2 N3 均為OP07: 由于稱重傳感器的輸出電壓最大值為19.998毫伏，而采集卡的有效幅值范圍為±10V，再加上給稱重傳感器施加的力達(dá)不到最大值。因此，我們對(duì)總的放大倍數(shù)定位4000倍

6、左右。從而使放大電路的輸出電壓值在-10V+10V之間，以此達(dá)到了數(shù)據(jù)采集卡的要求。實(shí)際電路截圖：4、 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集用的是NI數(shù)據(jù)采集卡，其型號(hào)是CB-68LP,如下圖示：由于虛擬儀器軟件中的DAQ選擇的是通道1，所以只接采集卡的68和34管腳，為了使電路能達(dá)到平衡在67和34、67和68之間均接了阻值為2K的電阻，從而使數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果能更加精確。5、 Lab view處理對(duì)于數(shù)據(jù)的處理我們采用的是虛擬儀器軟件（Lab view7.1）。前面板截圖：后面板截圖：DAQ使用方法介紹：因?yàn)閿?shù)據(jù)采集卡的輸入信號(hào)是模擬信號(hào)，因此選取Analog Input放大電路輸出的是電壓信號(hào)，故選用Volta

7、ge通道選取0同道，接線的時(shí)候正向輸入接68管腳，34管腳接負(fù)向輸入。數(shù)據(jù)采集卡的測量電壓范圍為10V+10V，因此輸入范圍最大值選10V，最小值選10V。電路采用的是差東放大，因此終端配置選擇差動(dòng)式（Differential）軟件程序介紹： 為了能既可以是用手動(dòng)采集數(shù)據(jù)和自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，因此程序的設(shè)計(jì)使用了CASE。當(dāng)選擇鍵打到手動(dòng)擋是，程序運(yùn)行后點(diǎn)擊前面板的手動(dòng)采集按鈕即可手動(dòng)獲得測量數(shù)據(jù)。而當(dāng)打到自動(dòng)擋是，運(yùn)行程序后即可自動(dòng)獲得測量數(shù)據(jù)。 這段程序?qū)AQ采集到的數(shù)據(jù)分離出來，并將其轉(zhuǎn)換成被測力的量值。其中系數(shù)0.3999575是通過傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)中的到的。 這段程序是延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間

8、為500ms，目的是為了防止采集數(shù)據(jù)的速度過快。這段程序是在所得數(shù)據(jù)中進(jìn)行采樣，并使其以波形圖的形式在示波器顯示。這段程序的作用是實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果，即顯示測量結(jié)果的同時(shí)顯示得到該數(shù)據(jù)的時(shí)間。這段程序的作用是將采集到的數(shù)據(jù)予以保存，保存的路徑為程序所在的文件夾。這段程序的作用是將測量接過以表格的形式顯示在前面板的結(jié)果顯示中。三 使用方法1、 將傳感器安裝在被測系統(tǒng)中，安裝時(shí)應(yīng)使受力方向通過傳感器的中心線（拉壓、稱重），以防實(shí)測中產(chǎn)生側(cè)向力影響測量精度。2、 按原理圖接好線路：紅線 電源正；藍(lán)線 電源負(fù)；黃、白線為輸出端接二次儀表黃線 輸出正；白線 輸出負(fù)；3、 測力時(shí)，將傳感器接上直流電源，大小

9、為12V。測量前，先將傳感器預(yù)熱10分鐘。然后點(diǎn)開Lab view程序，運(yùn)行程序。4、 加上欲測力進(jìn)行測試。四 注意事項(xiàng)1、 工作環(huán)境盡可能清潔，避免與較高的非工作熱源接觸。2、 在輸出端用公共地線時(shí)，傳感器供橋電壓必須單一使用，嚴(yán)禁兩只以上的傳感器共用一個(gè)電源。3、 傳感器不得隨意擰開外殼或扭動(dòng)固緊螺釘。4、 傳感器應(yīng)定期進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，以保證使用精度。5、 最大載荷力不應(yīng)超過滿量程的150%。五 硬件電路設(shè)計(jì)與調(diào)試心得在這次課程設(shè)計(jì)中，我主要負(fù)責(zé)硬件部分的設(shè)計(jì)工作。硬件電路主要包括直流電源、MS1型鋼制“S”稱重傳感器、應(yīng)變片橋式測量電路、電壓放大電路，信號(hào)采集電路。其中傳感器需提供+12V

10、直流，電壓放大電路中OP07芯片需±12V電源，由于已有做好模塊，直接選用。選用的MS1型鋼制“S”稱重傳感器中已將應(yīng)變片橋式測量電路集成在其中，測量電路也不用設(shè)計(jì)。信號(hào)采集部分選用NI數(shù)據(jù)采集卡，其型號(hào)是CB-68LP。所以需要設(shè)計(jì)的是電壓放大電路。由于MS1型鋼制“S”稱重傳感器電壓輸出為310MV,而CB-68LP數(shù)據(jù)采集卡采集電壓為±10V。需放大1000倍左右。最初的想法是采用下圖所示的高公模抑制比三運(yùn)放放大電路，由于采用差動(dòng)輸入，可有效抑制干擾信號(hào)。搭出了上述電路，由于電路復(fù)雜，電阻不好匹配，調(diào)試?yán)щy，經(jīng)過兩日努力，沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，后來經(jīng)組里討論，放棄了該方案。

11、其實(shí)也由于這次放棄，導(dǎo)致最終的結(jié)果也不是很理想。后來采用了級(jí)聯(lián)的放大電路，搭出了串聯(lián)型的三級(jí)放大，經(jīng)測試沒有放大效果。覺得很泄氣。學(xué)了幾年，連一個(gè)放大電路也做不出來。經(jīng)過一日思考，覺得自己有總體性要求，但細(xì)節(jié)處理不好。接下來就一步一步從頭開始做。先做一級(jí)放大。最初有一個(gè)很天真的想法，選用合適的電阻，直接放大1000倍不就行了嗎！搭好電路，測試沒有效果。事實(shí)上，OP07放大倍數(shù)在幾十倍時(shí)比較合適。后來搭成第一級(jí)放大40倍左右，第二級(jí)放大10倍左右，分級(jí)測試成功。最大輸出電壓達(dá)到12V。再接上采集電路，由于沒有平衡濾波措施，采集信號(hào)干擾很大，沒有預(yù)想效果。在老師指導(dǎo)下，在采集卡68、34，67管腳

12、接上平衡電阻，干擾被消除。但采集電壓變小，只有0.03V。分析原因，輸出阻抗很大，放大電路帶負(fù)載能力差。想到了電壓跟隨放大電路。在放大電路輸出端加入跟隨器，再接上采集電路。經(jīng)測試最大也只能達(dá)到1.7V。最終電路如下圖：由于各方面原因，我的硬件部分就只做了這么多。雖然最終效果不是很好。但還是收獲了很多。1. 做電路之前，要有一個(gè)總體規(guī)劃。最好有多種方案可選擇。2. 搭建電路時(shí)，把整個(gè)電路分成若干模塊。每做好一個(gè)模塊，測試一個(gè)模塊。做好一部分，就測試該部分的匹配協(xié)調(diào)性。3. 注意理論跟實(shí)際的差別，理論可行與實(shí)際可用是兩回事。如果有可能，最好能找到經(jīng)測試能用的經(jīng)驗(yàn)電路。4. 測試過程中可能問題很多。

13、要多思考，多討論，勤于查找相關(guān)資料。六 總結(jié)兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所們學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我們?nèi)ピO(shè)計(jì)一個(gè)方案，然后在團(tuán)隊(duì)的協(xié)作下去實(shí)現(xiàn)這一方案。在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工合作，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作，也學(xué)會(huì)了理解。 課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過這次傳感器應(yīng)用與設(shè)計(jì)，我在多方面都有所提高。通過這次傳感器應(yīng)用與設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)完成了我們這一方案的實(shí)現(xiàn)，鞏固與擴(kuò)充了以往課程所學(xué)的內(nèi)容，對(duì)虛擬儀器和測控電路這兩門課程有了更進(jìn)一步的掌握，同時(shí)對(duì)其它各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作