Uo≈U4ΔRR(式3)
(2)双臂工作电桥
若在两个桥臂上计入电阻应变片,其他桥臂为固定电阻,则构成双臂工作电桥,如图4,R1、R2为电阻应变片,R3、R4为固定电阻。
当应变片承受应变时,R1电阻增大ΔR,R2电阻减小ΔR,这种电桥成为差动电桥。
图4双臂工作电桥
此时电桥不再平衡,输出电压为
Uo=U2ΔRR(式4)
由式知半桥的输出是线性的没有非线性误差问题,而且灵敏度比单臂提高了一倍。
(3)全臂工作电桥
若四个桥臂上全为电阻应变片,则构成全桥工作电路,如图5所示,R1、R2、R3、R4全为电阻应变片。
承受应变时,R1、R3电阻增大ΔR,R2、R4电阻减小ΔR。
图5全臂工作电桥
电桥不再平衡,输出电压为
Uo=UΔRR(式5)
由式知,全桥的电压输出是线性的,没有非线性误差问题,而且其灵敏度是单臂的4倍,是半桥的2倍。
电子秤实验采用的是全桥测量电路,我们选取直流电源电压为8V。
所取的应变片未承受应变时阻值R1=R2=R3=R4=350Ω,当测量满量程200g物体时,测得应变片阻值变化ΔR大约在0.1~0.3Ω之间(参见文章最后实验数据记录表1、表2)。
我们取ΔR=0.2Ω,U=8V,则测量电路的输出电压为Uo=UΔRR≈0.0046V。
因为在实际电路中,应变片未承受应变时,电桥不一定处于完全的平衡状态,即R1R3--R3R4不为零,输出Uo不为零,故在测量电路中加入滑动变阻器做调零用,测量电路如图6所示
图6电子秤测量电路
差分放大电路
测量电路将应变计的电阻变化转换成了电压变化,由于所得的输出信号一般都很微弱,如果在遇到干扰的时候可能会导致测量结果的错误,因此采集到电压信号后,要对电压信号进行放大,滤波,增强系统的抗干扰能力,系统的稳定性会有所提高,让显示的数据也更加准确。
先采用差分放大电路对电压进行放大,我们先讨论简单的差动放大器,如图7所示,Vi1、Vi2为输入,Vo为输出。
图7基本差动放大器
输出电压
Vo=-R2R1Vi1+(1+R2R1)R4R3+R4Vi2(式6)
本实验中运算放大器采用OP07芯片,OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压,同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
OP07管脚图如图9所示。
图8op07管脚图
OP07芯片引脚功能说明:
1和8为偏置平衡(调零端),2为反向输入端,3为正向输入端,4接负电源或接地,5空脚6为输出,7接正电源。
本实验中采用的差分放大电路如图9所示.
图9差分放大电路
该电路由三个运算放大器组成,Vo1、Vo2和Vo分别为三运放的输出电压。
分析电路知流过R2、R1的电流相等,设为i,可以计算出理想的输出电压Vo.
i=Vi1-Vi2R1(式7)
Vo1=Vi1+R2i(式8)
Vo2=Vi2-R2i(式9)
Vo=R4R3(Vo1-Vo2)=R4R3(1+2R2R1)(Vi1-Vi2)(式10)
下面就各电阻应取阻值大小进行分析:
前面已经计算过,当承重为满量程200g时应变片变化ΔR取0.2Ω,此时测量电路输出电压Uo≈4.6mV,即差分放大电路的差模输入Vi1-Vi2=4.6mV,而要求的最终输出电压为200mV,故需将Uo放大40多倍。
由式(10)知差分放大电路的放大倍数为R4R3(1+2R2R1),主要由R4R3及R2R1的值决定,但R1、R3太小会从集成运放中获取太大的电流,太大的R4、R2会增加电阻产生的噪声,故其放大倍数不宜太大,我们可先通过差分放大电路将电压信号放大至100mV左右,再通过后续的放大电路将其进一步放大以达到所要求值。
实验中取R2=R3=10kΩ,R4=51kΩ,而将R1用一个2kΩ固定电阻和10kΩ滑动变阻器Rb串联代替,即放大倍数为5.1(1+20Rb+2),可以通过改变Rb阻值来进行调节。
差分放大电路具有以下优点:
1)高输入阻抗。
被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号,为了减少信号源内阻的影响,必须提高放大器输入阻抗。
2)高共模抑制比。
电路对共模信号几乎没有放大作用,共模电压增益接近零。
3)低噪声、低漂移。
主要作用是对信号源的影响小,拾取信号的能力强,以及能够使输出稳定。
4)电路的增益可以通过改变电阻R1阻值来调节。
二级放大电路
电压信号经过差分放大电路放大后并不能满足预期要求,故需要将其进行进一步放大,后续放大电路如图所示
图10二级放大电路
Vin为输入信号即差分放大电路的输出,Vout为输出。
Vin-VoR1=Vo-VoutR2(式11)
Vout=R1+R2Vo-R2VinR1(式12)
前面通过差分放大电路将电压信号放大至100mV左右,故需再将其放大约2倍,取R2=20kΩ,R1=10kΩ,可以通过调节Rb使输出为200mV。
电子秤实验的整体电路见附图。
三、需用器件与单元:
传感器、实验台、实验元件箱。
四、实验步骤:
电路调试与数据记录
图1传感器托盘安装示意图
1、将托盘安装到传感器上,如图1所示
2、测量应变片的阻值:
当传感器的托盘上无重物时,分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。
在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化,记录于表1-1、1-2中,分析应变片的受力情况(受拉的应变片:
阻值变大,受压的应变片:
阻值变小)。
3、设计测量电桥中各应变电阻的组合方法,计算出在±4V供电情况下,测量电桥可能提供的最大电压变化量。
4、电桥电路称重测量:
在未供电情况下,搭建测量电桥电路。
在±4V供电情况下,首先调节电桥零点,然后依次加减砝码两次,用电压表测量电桥电路的输出电压并做好实验记录。
实验数据记录于表2-1、2-2中。
5、在未供电情况下,搭建好仪表放大器电路及后面的放大电路。
注意:
元件选取,线路连接一定要正确。
特别是电源线更不能接错,以免损坏实验设备。
6、差动放大器调零:
不要连接电桥电路,将放大电路的输入端短接(及整体电路图中所标的AB点短接)。
将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档,检查接线无误后合上主机箱电源开关;调节放大器的增益电位器Rb至合适位置(先顺时针轻轻转到底,再逆时针回转1圈)后,再调节放大器的调零电位器Rc,使电压表显示为零。
7、系统电路调零:
关闭主机箱电源,按整体电路图接线(AB间接线断开),将±2V~±10V可调电源调节到±4V档。
检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节实验模板上的桥路平衡电位器Ra,使主机箱电压表显示为零。
8、系统输出增益调节:
将10只砝码全部置于传感器的托盘上,调节电位器Rb(见整体电路图)使数显表显示为0.200V(2V档测量)。
9、重复7、8步骤的标定过程,一直到精确为止