電阻式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 2012 年 6 月 25課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 電阻式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器 111 學(xué)生姓名 李寵 學(xué)生學(xué)號(hào) 110601220127 指導(dǎo)教師 任務(wù)書(shū)課程 傳感器課程設(shè)計(jì)題目 電阻式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)專業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 111 姓名 李寵 學(xué)號(hào) 110601220127 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：本設(shè)計(jì)是基于電阻式傳感器的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，其主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)即：敏感環(huán)節(jié)（金屬應(yīng)變片全橋電路） 、放大環(huán)節(jié)（放大器） 、轉(zhuǎn)換處理環(huán)節(jié)（A/D 轉(zhuǎn)換和單片機(jī)處理） 。金屬應(yīng)變片感受外界力的作用，將非物理參量轉(zhuǎn)換為電參量，然后經(jīng)后續(xù)電

2、路放大、A/D 轉(zhuǎn)換和單片機(jī)處理顯示。基本要求：基本要求：1、設(shè)計(jì)一個(gè)電阻式傳感器的應(yīng)用電路。2、對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估。3、說(shuō)明所用傳感器的基本工作原理、畫(huà)出應(yīng)用電路電路圖、寫(xiě)明電路工作原理、注明元器件選取參數(shù)、進(jìn)行方案比較。主要參考資料：主要參考資料：1 閻石.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：高等教育出版社.2005.122 劉潤(rùn)華，劉立山.模擬電子技術(shù)J.自動(dòng)化儀表.2005.6:21-23.3 黃賢武，鄭筱霞.傳感器及其應(yīng)用M.北京：高等教育出版社.2004.3:22-284 張剛毅.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京：高等教育出版社.2006.8:295-297完成期限 2012.7.12012.7.1

3、1 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2012 年 7 月 7 日傳感器課程設(shè)計(jì)摘 要在一些工程實(shí)踐中，我們不免對(duì)力進(jìn)行測(cè)量，在眾多測(cè)力傳感器中，電阻式傳感器以其體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍大等眾多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)選用應(yīng)變式電阻傳感器。應(yīng)變式電阻組成全橋差動(dòng)電橋，當(dāng)電阻受到力的作用時(shí)，電阻會(huì)發(fā)生形變導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡產(chǎn)生一個(gè)輸出值，輸出值經(jīng)放大器放大后，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，然后由單片機(jī)分析處理顯示。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，證實(shí)該系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，完全滿足設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。本設(shè)計(jì)能學(xué)以致用，充分了解電阻式觸感器的應(yīng)用原理，理論聯(lián)系實(shí)際，能夠加深對(duì)傳感器的理解。關(guān)鍵詞：應(yīng)變式電阻

4、；放大器；單片機(jī)；A/D 轉(zhuǎn)換傳感器課程設(shè)計(jì)目 錄一、設(shè)計(jì)要求 .11、功能與用途 .12、課題意義及產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀 .1二、方案設(shè)計(jì) .11、方案說(shuō)明 .12、方案論證 .2三、電阻應(yīng)變片式傳感器工作原理 .2四、電路的工作原理 .3五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 .41、單元電路設(shè)計(jì) .42、參數(shù)計(jì)算 .63、器件選擇 .6六、總結(jié) .7傳感器課程設(shè)計(jì)電阻式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求1、功能與用途 電阻式傳感器就是利用非電學(xué)量（如力、位移、加速度、角速度、溫度、光照強(qiáng)度等）的變化，引起電路中電阻的變化，從而把不易測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，便于測(cè)量，且可以輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，做這

5、種用途的電阻稱為電阻式傳感器。大致分為電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻式、磁電式、光敏電阻式。如將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。例如，研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形情況?；?qū)?yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來(lái)測(cè)量力、位移、加速度等物理參數(shù)。2、課題意義及產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀電阻式傳感器和相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、加速度、扭矩等測(cè)量?jī)x表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防等部門進(jìn)行自動(dòng)稱重、過(guò)程檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化不可缺少的工具之一。隨著人們對(duì)測(cè)量要求的提高，傳統(tǒng)的機(jī)械測(cè)力方式已不能滿足

6、人們的要求，電阻式傳感器以其體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍大、可靠性好等眾多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。二、方案設(shè)計(jì)1、方案說(shuō)明方案一：壓電式測(cè)力 基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量。應(yīng)用原理：壓電效應(yīng)。某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方傳感器課程設(shè)計(jì)向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)或

7、順壓電效應(yīng)，參考電路如圖 1 所示。優(yōu)點(diǎn)：壓電式傳感器具有反應(yīng)速率高，靈敏度較強(qiáng)，重復(fù)性好，頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。應(yīng)用領(lǐng)域：壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)低，靈敏度低，外接電路復(fù)雜。某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。圖 1 方案一原理框圖方案二：電阻應(yīng)變片式測(cè)力以電阻應(yīng)變計(jì)為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器 。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、

8、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測(cè)量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測(cè)量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形。電阻應(yīng)變片式傳感器的原理：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力（拉力或壓力）的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，導(dǎo)致其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化，參考電路如圖 2 所示。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，體積小，電阻率高而穩(wěn)定，頻率響應(yīng)范圍大，無(wú)非線性誤差，具有溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。精度高，測(cè)量范圍廣壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。缺點(diǎn)：對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號(hào)較弱。圖 2 方案二原理框圖2、方案論證壓電傳感器

9、放大電路A/D 轉(zhuǎn)換顯示電阻傳感器放大電路A/D 轉(zhuǎn)換顯示傳感器課程設(shè)計(jì)通過(guò)方案比較，由于方案二的抗干擾能力較強(qiáng)，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，故選用方案二。電阻應(yīng)變片式應(yīng)用和測(cè)量范圍廣，精度和靈敏度高，頻率響應(yīng)特性好，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。三、電阻應(yīng)變片式傳感器工作原理設(shè)一根金屬導(dǎo)體的電阻 R 為： (1)如果對(duì)其均勻用力，則 ,L,A 的變化 d,dL,dA 將引起電阻 dR 的變化 (2)其相對(duì)變化量為：(3)若電阻絲是圓的，則，r 為電阻絲的半徑，則2rArdrdA2(4)令 ,則為金屬絲軸向應(yīng)變;令 ,則為金屬絲徑向應(yīng)變則 xy(5)將(4)和(5)代入(3)中 (6)(7)令(8)(9)

10、根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得 (10)式中 試件的應(yīng)力； 試件的應(yīng)變； E 試件材料的彈性模量（kg/mm2）。由此可知，應(yīng)力值 正比于應(yīng)變 ，而試件應(yīng)變又正比于電阻值的變化dR，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。這就是應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。ALRdAALdALdLAR2dAdALdLRdRdXLdLyrdrrdrAdA2dRdRX)21 (xXdRdR)21 (xyxSdK)21 (SSKRdRE傳感器課程設(shè)計(jì)四、電路的工作原理電路的工作原理如圖 3 所示，應(yīng)變式電阻組成全橋差動(dòng)電橋，當(dāng)電阻受到力的作用時(shí)，電阻會(huì)發(fā)生形變導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡產(chǎn)生一個(gè)輸出值，輸出值經(jīng)放大器放大后，經(jīng)

11、A/D 轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，然后由單片機(jī)分析處理顯示。4 個(gè)電阻應(yīng)變片接入全橋差動(dòng)電路中，在未受外力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，其輸出為零，為：(11)平衡時(shí) UO=0,所以R1R4=R2R3 (12)當(dāng)受到外力作用時(shí)，即兩個(gè)受拉，兩個(gè)受壓，且滿足R1=R2=R3=R4，則輸出電壓為：(13)(14)差動(dòng)全橋電路 UO與 成線性關(guān)系，不存在非線性誤差，靈敏度高（是單11RR臂電橋的四倍），還可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｆ漭敵鲭妷?UO為毫伏級(jí)別需經(jīng)放大器 A1 放大到伏級(jí)別，隨后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字量送入單片機(jī)，然后由單片機(jī)控制顯示器顯示。圖 3 整體電路連接圖五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1

12、1RREUO)(433211RRRRRREUO）443333221111(RRRRRRRRRRRREUO傳感器課程設(shè)計(jì)1、單元電路設(shè)計(jì)(1) 全橋差動(dòng)電路4 個(gè)電阻應(yīng)變片接入如圖 4 所示的全橋差動(dòng)電路中，在未受外力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，其輸出為零，當(dāng)收受到外力作用時(shí)，原平衡被打破，電橋輸出一個(gè)電壓值。R1R4受拉 R2R3受壓，變化量都為R。圖 4 全橋差動(dòng)電路圖(2) 放大電路放大環(huán)節(jié)選用如圖 5 所示的基本差分放大器，有利于抑制共模干擾（提高電路的共模抑制比）和減小溫度漂移。圖 5 放大環(huán)節(jié)電路圖(3) 轉(zhuǎn)換、處理環(huán)節(jié)電路傳感器課程設(shè)計(jì)如圖 6 所示的電路由 ADC0809、SUN747

13、4、STC89C52 組成。放大后的電壓值為模擬量，不能直接送入單片機(jī)處理，須經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)字量后送入單片機(jī)處理并顯示在 LCD1602 上。圖 6 轉(zhuǎn)換、處理環(huán)節(jié)電路圖2、參數(shù)計(jì)算(1)全橋差動(dòng)電路輸出電壓為： (15)11RREUO(2)放大電路由于電路完全對(duì)稱，所以 (16)OOURRV67由所選電阻參數(shù)的放大增益為 500。3、器件選擇(1)R1-R4為電阻應(yīng)變片。應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要小；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好,易傳感器課程設(shè)計(jì)于拉制成

14、絲或軋壓成箔材；易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。(2)R5-R9為普通電阻。A1 為 LM324 運(yùn)放。LM324 系列由四個(gè)獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器。(3)U1 為 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由 8 路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8 位開(kāi)關(guān)樹(shù)型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成(4)U2 為 STC89C52 單片機(jī)。STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位CPU 和

15、在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash，512 字節(jié)RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置 4KB EEPROM，MAX810 復(fù)位電路，三個(gè) 16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位

16、為止。最高運(yùn)作頻率 35Mhz，6T/12T 可選。(5)U3 為 SUN7474 觸發(fā)器。用來(lái)分頻的（ADC0809 頻率受限，通常使用頻率為 500KHZ，用 SUN7474 分頻） 。系統(tǒng)需要的元器件清單表 1 元器件清單序號(hào)元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注R1-R4金屬應(yīng)變片1K4無(wú)R5-R9電阻1K5無(wú)A1運(yùn)放LM3241無(wú)U1A/D 轉(zhuǎn)換器A/DC08091無(wú)U2單片機(jī)STC89C521無(wú)U3觸發(fā)器SUN74741無(wú)C1-C2瓷片電容30p2無(wú)Y1晶振12M1無(wú)C3極性電容22u 50V1無(wú)傳感器課程設(shè)計(jì)六、總結(jié)本設(shè)計(jì)采用全橋差動(dòng)電路，消除非線性誤差，還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。在放大和轉(zhuǎn)

17、換環(huán)節(jié)均采用了高性能的芯片，從而避免了搭載電路的不穩(wěn)定。整套方案能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，完全滿足設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。從而證明了電阻式傳感器就是利用非電學(xué)量的變化，引起電路中電阻的變化，從而把不易測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，便于測(cè)量，且可以輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，讓我們加深了對(duì)電阻式傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中也很多收獲。首先，在制作電路前必須把原理搞清楚，認(rèn)真學(xué)習(xí)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，提前預(yù)知方向，確保方案沒(méi)有錯(cuò)誤，同時(shí)深刻理解，鍛煉了我們分析和解決問(wèn)題的能力。其次，我們的基本理論都是應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，讓我們深刻認(rèn)識(shí)理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性以及理論與實(shí)踐存在的差異性，了解自身的不足，知識(shí)是否學(xué)會(huì)并能自主運(yùn)用。也讓我們學(xué)會(huì)采用不同的途徑查詢所需資料，并認(rèn)真學(xué)習(xí)，更加加深對(duì)知識(shí)的理解。本次課程設(shè)計(jì)過(guò)后，我們鞏固了傳感器的有關(guān)知識(shí)，受益匪淺。能夠運(yùn)用資料，網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序熟練制作電路圖，學(xué)以致用，對(duì)以后的工作有很大的幫助。參考文獻(xiàn)1 劉潤(rùn)華，