第13章應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用

1、第第1313章章 小型稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)13.1 13.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 112.2 12.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)12.3 12.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)虛擬儀器設(shè)計(jì)3213.1 13.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 本例是利用金屬箔式應(yīng)變片設(shè)計(jì)一個(gè)小型稱重裝本例是利用金屬箔式應(yīng)變片設(shè)計(jì)一個(gè)小型稱重裝置。硬件部分是在置。硬件部分是在MultisimMultisim中仿真設(shè)計(jì)，軟件顯示與中仿真設(shè)計(jì)，軟件顯示與分析部分由分析部分由LabVIEWLabVIEW虛擬儀器完成。本設(shè)計(jì)完成過(guò)虛擬儀器完成。本設(shè)計(jì)完成過(guò)程中需要掌握以下幾點(diǎn)：程中需要掌握以下幾點(diǎn)：1 1）掌握金屬箔

2、式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂、全橋電橋）掌握金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂、全橋電橋 工作原理和性能。工作原理和性能。2 2）學(xué)會(huì)利用應(yīng)變片原理建立仿真模型。）學(xué)會(huì)利用應(yīng)變片原理建立仿真模型。3 3）比較單臂與全橋電橋的不同性能、了解其特點(diǎn)。）比較單臂與全橋電橋的不同性能、了解其特點(diǎn)。4 4）學(xué)會(huì)使用全橋電路。）學(xué)會(huì)使用全橋電路。5 5）會(huì)使用）會(huì)使用G G語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能。語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能。13.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)13.2.1 13.2.1 傳感器模型的建立傳感器模型的建立 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)

3、，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻變化。應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值將隨著壓力所產(chǎn)生的變化而變化。對(duì)體，其阻值將隨著壓力所產(chǎn)生的變化而變化。對(duì)于金屬導(dǎo)體，電阻變化率的表達(dá)式為：于金屬導(dǎo)體，電阻變化率的表達(dá)式為： （13-113-1） 式中：式中： 材料的泊松系數(shù)；材料的泊松系數(shù)； 應(yīng)變量。應(yīng)變量。(12 )RR 通常把單位應(yīng)變所引起電阻相對(duì)變化稱作電阻通常把單位應(yīng)變所引起電阻相對(duì)變化稱作電阻絲的靈敏系數(shù)，對(duì)于金屬導(dǎo)體，其表達(dá)式為：絲的靈敏系數(shù)，對(duì)于金屬導(dǎo)體，其表達(dá)式為： （13-21

4、3-2） 所以：所以： （13-313-3） 在外力作用下在外力作用下, ,應(yīng)變片產(chǎn)生變化應(yīng)變片產(chǎn)生變化, ,同時(shí)應(yīng)變片電同時(shí)應(yīng)變片電阻也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得阻值變化為阻也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得阻值變化為R R時(shí)，時(shí)，可得到應(yīng)變值可得到應(yīng)變值 ，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，得到應(yīng)，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，得到應(yīng)力值為力值為 （13-413-4） 0(1 2 )R Rk0RkRE13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)式式中：中： - -應(yīng)力應(yīng)力,-,-應(yīng)變（為軸向應(yīng)變）應(yīng)變（為軸向應(yīng)變） E- E-材料的彈性模量材料的彈性模量 。又重力又重力G G與應(yīng)力與應(yīng)力 的關(guān)系為：的關(guān)系為： （13-513-5）式中：式中： G

5、-G-重力重力, ,S- S-應(yīng)變片截面積應(yīng)變片截面積根據(jù)以上各式可得到：根據(jù)以上各式可得到： （13-613-6）由此得出應(yīng)變片電阻與重物質(zhì)量的關(guān)系，即由此得出應(yīng)變片電阻與重物質(zhì)量的關(guān)系，即 （13-713-7）GmgS0kRmgRES0kRgR mES 2/kg mm13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)根據(jù)應(yīng)變片常用的材料（如康銅）取根據(jù)應(yīng)變片常用的材料（如康銅）取k k0 0=2=2；E E =16300 =16300 ；S S = = ；R0 =348R0 =348；g=g=所以在所以在MultisimMultisim中可用建立以下模型來(lái)代替應(yīng)變片中可用建立以下模型來(lái)代替應(yīng)變片進(jìn)行仿真，模型如

6、圖進(jìn)行仿真，模型如圖13-113-1所示：所示：（a a）結(jié)構(gòu)示意圖）結(jié)構(gòu)示意圖 （b b）仿真模型）仿真模型圖圖13-1 13-1 金屬絲式應(yīng)變片模型金屬絲式應(yīng)變片模型 2 9.8 348 / 16300 1000.004185Rmm 2/kg mm2100mm29.8/m s13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì) 13.2.2 13.2.2 橋路部分電路原理橋路部分電路原理電阻應(yīng)變計(jì)把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變計(jì)把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成R/RR/R后，必須采后，必須采用轉(zhuǎn)換電路通常采用惠斯登電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)用轉(zhuǎn)換電路通常采用惠斯登電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。換。圖圖13-213-2所示的直流電橋，對(duì)于單臂電橋所示的

7、直流電橋，對(duì)于單臂電橋, ,如下圖：如下圖：13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)圖圖13-2 13-2 直流電橋直流電橋13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)1423(138)R RR R當(dāng)電橋平衡時(shí)當(dāng)電橋平衡時(shí), ,相對(duì)的兩臂電阻乘積相等相對(duì)的兩臂電阻乘積相等, ,即：即： 43110112143(139)11RRR RUR RRRRR設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比n=R2/R1 n=R2/R1 由于由于R1R1,R1LabVIEW InstruSamplingLabVIEW InstrumentsTemplatesInputmentsTemplatesInput文件夾拷貝到另外一個(gè)文件夾拷貝到另外一個(gè)地方。地方。在在La

8、bVIEW LabVIEW 中打開(kāi)步驟中所拷貝的中打開(kāi)步驟中所拷貝的StarterInputIStarterInputInstrument .lvprojnstrument .lvproj工程，如圖工程，如圖13-2513-25。接口電路的設(shè)。接口電路的設(shè)計(jì)是在計(jì)是在Starter Input Instrument.vitStarter Input Instrument.vit中進(jìn)行。中進(jìn)行。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)圖圖13-25 StarterInputInstrument .lvproj13-25 StarterInputInstrument .lvproj工程圖工程圖13.3

9、 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)打開(kāi)打開(kāi)Starter Input Instrument.vitStarter Input Instrument.vit的框圖面板，完成接的框圖面板，完成接口框圖的設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)處理部分，把在口框圖的設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)處理部分，把在LabVIEWLabVIEW完成的子完成的子VIVI添加在添加在Update DATAUpdate DATA框中即可。此時(shí)框中即可。此時(shí)只是添加，不可修改框圖面板的原狀，如圖只是添加，不可修改框圖面板的原狀，如圖13-2613-26所示。所示。圖圖13-26 13-26 顯示儀板的程序框圖顯示儀板的程序框圖13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)由圖

10、由圖13-2613-26，子，子VIVI輸出端有六個(gè)輸出端口，在每個(gè)輸出端有六個(gè)輸出端口，在每個(gè)端口處右鍵點(diǎn)擊選擇創(chuàng)建指示器。在輸入端口，端口處右鍵點(diǎn)擊選擇創(chuàng)建指示器。在輸入端口，需要解決數(shù)據(jù)類型的匹配問(wèn)題。由于系統(tǒng)原始的需要解決數(shù)據(jù)類型的匹配問(wèn)題。由于系統(tǒng)原始的接口的設(shè)置，從接口的設(shè)置，從Multisim10Multisim10向向LabVIEWLabVIEW中虛擬儀器中虛擬儀器輸入的是一個(gè)多維數(shù)組（它的數(shù)據(jù)類型是不能改輸入的是一個(gè)多維數(shù)組（它的數(shù)據(jù)類型是不能改變的）變的）, ,為了和設(shè)計(jì)的子模塊輸入數(shù)據(jù)的類型相匹為了和設(shè)計(jì)的子模塊輸入數(shù)據(jù)的類型相匹配，需要加一些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，把兩個(gè)數(shù)據(jù)端口正

11、配，需要加一些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，把兩個(gè)數(shù)據(jù)端口正確的連接起來(lái)，如圖確的連接起來(lái)，如圖13-2613-26所示，所示，datadata后的第一個(gè)后的第一個(gè)程序模塊是波形建立模塊，接著的是提取程序模塊是波形建立模塊，接著的是提取Y Y值模值模塊。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型的匹配還有另外兩種方法，這塊。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型的匹配還有另外兩種方法，這將在以后章節(jié)的設(shè)計(jì)實(shí)例中介紹。將在以后章節(jié)的設(shè)計(jì)實(shí)例中介紹。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)程序框圖設(shè)計(jì)好后，要進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，除了程序框圖設(shè)計(jì)好后，要進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，除了要完成功能外，還要兼顧美觀。設(shè)計(jì)好的前面板要完成功能外，還要兼顧美觀。設(shè)計(jì)好的前面板如圖如圖13-271

12、3-27所示。完成后選擇重命名，保存為所示。完成后選擇重命名，保存為j1.vitvit。圖圖13-27 13-27 前面板設(shè)計(jì)前面板設(shè)計(jì)13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)編譯之前，要對(duì)虛擬儀器進(jìn)行基本信息設(shè)置。打開(kāi)編譯之前，要對(duì)虛擬儀器進(jìn)行基本信息設(shè)置。打開(kāi) subVIs subVIs下的下的Starter Input Instrument_multisimInformatio-Starter Input Instrument_multisimInformatio-n.vin.vi的后面板，如圖的后面板，如圖13-2813-28所示，在儀器所示，在儀器IDID中和顯示名中和

13、顯示名稱中填入唯一的標(biāo)識(shí)，如一起設(shè)為稱中填入唯一的標(biāo)識(shí)，如一起設(shè)為Plotterhxx11Plotterhxx11。同。同時(shí)把輸入端口數(shù)設(shè)為時(shí)把輸入端口數(shù)設(shè)為1 1，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)電壓輸入；把，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)電壓輸入；把輸出端口設(shè)為輸出端口設(shè)為0 0，此模塊不需要向，此模塊不需要向MultisimMultisim輸出信號(hào)。輸出信號(hào)。設(shè)置完后另存為設(shè)置完后另存為proj1_multisimInformation.viproj1_multisimInformation.vi，注意前，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必須一致。半部分的名字和接口程序部分的命名必須一致。13.3 LabVIEW虛擬儀

14、器設(shè)計(jì)圖圖13-28 13-28 虛擬儀器的設(shè)置虛擬儀器的設(shè)置13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)打開(kāi)打開(kāi)Build SpecificationsBuild Specifications，右鍵點(diǎn)擊，右鍵點(diǎn)擊Source Distributio-nSource Distributio-n，選擇屬性設(shè)置，在保存目錄和支持目錄中，都將編選擇屬性設(shè)置，在保存目錄和支持目錄中，都將編譯完成后要生成的庫(kù)文件重命名，如譯完成后要生成的庫(kù)文件重命名，如proj1proj1（.lib.lib）。）。同時(shí)在原文件設(shè)置中選擇總是包括所有包含的條目，同時(shí)在原文件設(shè)置中選擇總是包括所有包含的條目，如圖如圖13-2913

15、-29所示。屬性設(shè)置完成并對(duì)工程進(jìn)行保存后，所示。屬性設(shè)置完成并對(duì)工程進(jìn)行保存后，再在再在Source DistributionSource Distribution上點(diǎn)擊右鍵，在彈出的菜單中上點(diǎn)擊右鍵，在彈出的菜單中選擇選擇BuildBuild即可。即可。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)圖圖13-29 13-29 屬性設(shè)置屬性設(shè)置13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)編譯完成后，在編譯完成后，在InputInput文件夾下生成一個(gè)文件夾下生成一個(gè)BuildBuild文件夾，文件夾，打開(kāi)后把里面的文件復(fù)制到打開(kāi)后把里面的文件復(fù)制到Electronics WorkbenchEWElectron

16、ics WorkbenchEWB9B9下的下的lvinstrumentslvinstruments文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器的導(dǎo)入，當(dāng)再打開(kāi)的導(dǎo)入，當(dāng)再打開(kāi)MultisimMultisim時(shí)，在時(shí)，在LabVIEWLabVIEW儀器下拉菜儀器下拉菜單下就會(huì)顯示你所設(shè)計(jì)的模塊（單下就會(huì)顯示你所設(shè)計(jì)的模塊（plotterhxx11plotterhxx11）。）。到這里所有關(guān)于此稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成，打開(kāi)到這里所有關(guān)于此稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成，打開(kāi)MultisimMultisim1010，導(dǎo)入后的顯示模塊如圖，導(dǎo)入后的顯示模塊如圖13-3013-30所示。把設(shè)計(jì)好的電所示。把設(shè)計(jì)好的電路和顯示模塊連接，電路調(diào)零后，進(jìn)行仿真。路和顯示模塊連接，電路調(diào)零后，進(jìn)行仿真。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)XLV1In1圖圖13-30 13-30 顯示模塊圖標(biāo)顯示模塊圖標(biāo) 驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)及顯示模塊的設(shè)計(jì)是否合理。圖驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)及顯示模塊的設(shè)計(jì)是否合理。圖13