內(nèi)蒙古大學(xué)傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件第13章應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用

1、第13章 小型稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)13.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 113.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)3213.4 將Multisim導(dǎo)入Labview413.1 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)小型稱重裝置。硬件部分是在Multisim中仿真設(shè)計(jì)，軟件顯示與分析部分由LabVIEW虛擬儀器完成。本設(shè)計(jì)完成過程中需要掌握以下幾點(diǎn)：1）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。2）學(xué)會(huì)利用應(yīng)變片原理建立仿真模型。3）比較單臂與全橋電橋的不同性能、了解其特點(diǎn)。4）學(xué)會(huì)使用全橋電路。5）會(huì)使用G語言編程實(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

2、原理與設(shè)計(jì)13.2.1 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)，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： （13-1） 式中： 材料的泊松系數(shù)； 應(yīng)變量。 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： （13-2） 所以： （13-3） 在外力作用下,應(yīng)變片產(chǎn)生變化,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R時(shí)，可得到應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，得到應(yīng)力值為 （13-4） 13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)式中： -應(yīng)力,

3、-應(yīng)變（為軸向應(yīng)變） E-材料的彈性模量 。又重力G與應(yīng)力的關(guān)系為： （13-5）式中： G-重力,S-應(yīng)變片截面積根據(jù)以上各式可得到： （13-6）由此得出應(yīng)變片電阻與重物質(zhì)量的關(guān)系，即 （13-7）13.2 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k0=2；E =16300 ；S = ；R0 =348；g=所以在Multisim中可用建立以下模型來代替應(yīng)變片進(jìn)行仿真，模型如圖13-1所示：（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）仿真模型圖13-1 金屬絲式應(yīng)變片模型13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì) 13.2.2 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R/R后，必須采用轉(zhuǎn)換電路通常采用惠斯登電橋電

4、路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。圖13-2所示的直流電橋，對(duì)于單臂電橋,如下圖：13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)圖13-2 直流電橋13.2 測(cè)量電路原理與設(shè)計(jì)當(dāng)電橋平衡時(shí),相對(duì)的兩臂電阻乘積相等,即： 設(shè)橋臂比n=R2/R1 由于R1LabVIEW InstrumentsTemplatesInput文件夾拷貝到另外一個(gè)地方。在LabVIEW 中打開步驟中所拷貝的StarterInputInstrument .lvproj工程，如圖13-25。接口電路的設(shè)計(jì)是在Starter Input Instrument.vit中進(jìn)行。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)圖13-25 StarterInputInstrume

5、nt .lvproj工程圖13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)打開Starter Input Instrument.vit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LabVIEW完成的子VI添加在Update DATA框中即可。此時(shí)只是添加，不可修改框圖面板的原狀，如圖13-26所示。圖13-26 顯示儀板的程序框圖13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)由圖13-26，子VI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，需要解決數(shù)據(jù)類型的匹配問題。由于系統(tǒng)原始的接口的設(shè)置，從Multisim10向LabVIEW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

6、變的）,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)端口正確的連接起來，如圖13-26所示，data后的第一個(gè)程序模塊是波形建立模塊，接著的是提取Y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)，除了要完成功能外，還要兼顧美觀。設(shè)計(jì)好的前面板如圖13-27所示。完成后選擇重命名，保存為proj1.vit。圖13-27 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 subVIs下的Starter Input Instrum

7、ent_multisimInformatio-n.vi的后面板，如圖13-28所示，在儀器ID中和顯示名稱中填入唯一的標(biāo)識(shí)，如一起設(shè)為Plotterhxx11。同時(shí)把輸入端口數(shù)設(shè)為1，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)電壓輸入；把輸出端口設(shè)為0，此模塊不需要向Multisim輸出信號(hào)。設(shè)置完后另存為proj1_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必須一致。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)圖13-28 虛擬儀器的設(shè)置13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)打開Build Specifications，右鍵點(diǎn)擊Source Distributio-n，選擇屬性設(shè)置，在保存

8、目錄和支持目錄中，都將編譯完成后要生成的庫文件重命名，如proj1（.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，如圖13-29所示。屬性設(shè)置完成并對(duì)工程進(jìn)行保存后，再在Source Distribution上點(diǎn)擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Build即可。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)圖13-29 屬性設(shè)置13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)編譯完成后，在Input文件夾下生成一個(gè)Build文件夾，打開后把里面的文件復(fù)制到Electronics WorkbenchEWB9下的lvinstruments文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器的導(dǎo)入，當(dāng)再打開Multisim時(shí)，在LabVI

9、EW儀器下拉菜單下就會(huì)顯示你所設(shè)計(jì)的模塊（plotterhxx11）。到這里所有關(guān)于此稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成，打開Multisim10，導(dǎo)入后的顯示模塊如圖13-30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。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)圖13-30 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13-31為20g和120g重物的仿真，可以看出設(shè)計(jì)基本符合要求。13.3 LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)圖13-31 設(shè)計(jì)結(jié)果13.4將Multisim導(dǎo)入Labview13.4.1在Multisim中添加LabVIEW交互接口這些Multisim中的接口是分級(jí)模塊(Hiera

10、rchical Block)和子電路(Sub-Circuit)接口(Hierarchical connector)，用來與LabVIEW仿真引擎之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。1）右鍵點(diǎn)擊鼠標(biāo)并從彈出的快捷菜單中選擇Place on schematic/Hierarchical connector。如圖13-32所示。放置一個(gè)接口在電路圖的左上方，另一個(gè)放置在右上方。按照?qǐng)D13-32將電路與接口連接起來。13.4將Multisim導(dǎo)入Labview圖 13-32 選擇交互接口13.4將Multisim導(dǎo)入Labview 圖 13-33 接口電路13.4將Multisim導(dǎo)入Labview2）設(shè)置接口：打開V

11、iew菜單下的LabVIEW Co-simulation Terminals窗口，設(shè)置針對(duì)LabVIEW的輸入或者輸出。為了將各個(gè)接口配置為輸入或者輸出，在模式設(shè)置中選擇所需要的選項(xiàng)，然后可以在類型設(shè)置中將各個(gè)接口設(shè)置為電壓或者電流輸出/輸出。最后，如果你想將放置的輸入輸出接口設(shè)置為不同的功能對(duì)，你可以選擇Negative Connection。將IO1配置為輸入，然后將IO2配置為輸出。如圖13-34所示為設(shè)置好的LabVIEW Co-simulation Terminals窗口，圖13-35為即將被Labview調(diào)用的Multisim design VI preview圖標(biāo)。13.4將Mu

12、ltisim導(dǎo)入Labview圖13-35設(shè)置好的Multisim design VI preview圖13-34設(shè)置接口13.4將Multisim導(dǎo)入Labview2.在Labview中創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字控制器：要在LabVIEW和Multisim之間傳送數(shù)據(jù)，首先需要使用LabVIEW中的控制與仿真循環(huán)(Control & Simulation Loop)。這里需要注意的是，Multisim安裝包中沒有這個(gè)模塊，需要從/labview/cd-sim/zhs/網(wǎng)站下載，然后安裝在Multisim的安裝路徑下。1）打開Labview的程序框圖（后面板），右鍵點(diǎn)擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到Control

13、Design & SimulationSimulationControl & Simulation Loop。左鍵點(diǎn)擊，并將其拖放到程序框圖上。如圖13-36所示。13.4將Multisim導(dǎo)入Labview 圖 13-36放置控制與仿真模塊13.4將Multisim導(dǎo)入Labview2）要修改控制仿真循環(huán)的求解算法和時(shí)間設(shè)置，雙擊輸入節(jié)點(diǎn)，打開Configure Simulation Parameters窗口。輸入如圖13-37的參數(shù)；在這些選項(xiàng)中使用本文后面提供參數(shù)，可以有效地在LabVIEW的波型圖表中顯示數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)自己的需求 圖13-37 節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置13.4將Multisim導(dǎo)

14、入Labview3）在VI中添加仿真掛起(Halt Simulation)函數(shù)來停止控制仿真循環(huán)。右鍵點(diǎn)擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到Control Design & SimulationSimulationUtilitiesHalt Simulation。左鍵點(diǎn)擊，并將其拖放到程序框圖上，然后在布爾輸入上右鍵點(diǎn)擊并選擇CreateControl。這樣就可以在VI的前面板上創(chuàng)建一個(gè)布爾控件來控制程序的掛起，來停止仿真VI的運(yùn)行。如圖13-38所示。13.4 將Multisim導(dǎo)入Labview 圖13-38添加 Halt Simulation函數(shù)13.4將Multisim導(dǎo)入Labview3. 放置

15、Multisim Design VIMultisim Design VI是管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之間通訊的。1）右鍵點(diǎn)擊，打開函數(shù)選板，瀏覽到Control Design & SimulationSimulation External Models Multisim Multisim Design，左鍵點(diǎn)擊，并將其拖放到控制與仿真循環(huán)之中，注意,這個(gè)VI必須放置到控制仿真循環(huán)中。將Multisim Design VI放置到程序框圖上以后，會(huì)彈出選擇一個(gè)Multisim設(shè)計(jì)（Select a Multisim Design）對(duì)話框。在對(duì)話框中你可以直接輸出文件的路徑，或者瀏

16、覽到文件所在的位置來進(jìn)行指定。如圖13-39所示。13.4將Multisim導(dǎo)入Labview 圖13-39放置Multisim design VI preview13.4將Multisim導(dǎo)入LabviewMultisim Design VI會(huì)生成接線端，接線端的形式與Multisim環(huán)境中的Multisim Design VI預(yù)覽一致，具有相對(duì)應(yīng)的輸入與輸出。如果接線端沒有顯示出來。左鍵點(diǎn)擊下雙箭頭，展開接線端。 2）調(diào)用Labview子VI：在Labview的程序框圖中，打開函數(shù)選板，選擇前面設(shè)計(jì)好的子VI，放在控件與仿真循環(huán)中。如圖13-40所示。 3）分別為Multisim Design VI和Labview子VI創(chuàng)建輸入和顯示控件。右鍵點(diǎn)擊輸入接線端，然后選擇Create Control來完成創(chuàng)建命令。如圖13-41所示。13.4將Multisim導(dǎo)入Labview 圖13-40 調(diào)用子VI13.4將Multisim導(dǎo)入Labview 圖13-41 創(chuàng)建輸入及顯示控件13.4將Multisim導(dǎo)入Labview5）整理前面板：打開前面板窗口，前面板的控件如圖13-42所示。圖13-42 前面板圖13.4將Multisim導(dǎo)入Labview6）開始仿真：單擊仿真開始按鈕開始仿真。如圖13-44所示.由結(jié)果可知設(shè)計(jì)基本符合要求。