基于电阻应变片的电子称的设计A副本解析.docx

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基于电阻应变片的电子称的设计A副本解析

2013届本科生毕业设计

题目：

基于电阻应变片的电子称的设计

作者姓名：

陈光辉

学号：

2009080845

系（院）：

机械与电子工程学院

专业：

自动化

指导教师姓名：

胡波刘明

指导教师职称：

讲师讲师

SuZhouUniversity

Year2013BachelorGraduationassignment（Design）

Title:

Designofcontrolsystemforcoalgasleakage

Author:

ChenGuangHui

StudentID:

2009080845

Department:

CollegeofMechanicalandElectronicEngineering

Major:

Automation

Instructor:

HuBoLiuMing

ProfessionalTitle:

LecturerLecturer

April25th,2013

摘要

电阻应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性特性好等优点，且能在恶劣的环境下工作，在力、压力和重量测试中有非常广泛的应用，力传感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

所以电阻应变式力传感器制作的数显电子称具有准确度高易于制作，简单实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特点。

本文从数显电子称的要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。

详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。

数显电子称根据弹性体在外力作用下产生弹性形变，使粘贴在它表明面的电阻应变片也随之产生形变，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻转换为信号，将信号通过数码显示器显示出来，从而完成了讲外力变换成为电信号的过程。

关键字：

电子秤、电子应变片、A/D转换器，显示电路LED。

ABSTRACT

Theresistancestrainsensorhastheadvantagesofwidemeasuringrange,highprecision,smallerrorandgoodlinearcharacteristic,andcanworkinharshenvironments,hasaverywideapplicationinthepower,pressureandweighttest,forcesensorhastheadvantagesofsimplestructure,smallvolume,lightweight,longlifeandothercharacteristicsmakeforexcellent.Sotheelectricresistancestraintypeforcesensorthathashighaccuracyandeasyproduction,simpleandpractical,lowcost,smallvolume,easytocarry.

Thisarticleanalysisfromdigitalelectronicrequirements,thewholesystemwillbedividedintofourparts,analysisanddiscussionofthevariouspartsofthecircuitprinciple,controlstrategy,implementationmethod.Operatingconditionsandsignaltransmissionsystemarediscussedindetail,andvariouspartsofthesystemindifferentconditionsofwork.Digitalelectronicscaleaccordingtotheelasticbodytogenerateelasticdeformationundertheactionofexternalforce,thepastewillproducedeformationinresistancestrainsliceitshowsface,itsvaluewillbechanged,andtherelevantmeasuringcircuitstoconverttheresistancesignal,thesignalthroughthedigitaldisplay,thuscompletingthesaidforcetransformationasasignal.

Keywords:

electronicscales；electronicstraingauges；A/Dconverter；LEDdisplaycircuit.

前言

电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。

本文简述的是由电阻应变片式传感器组成的电子秤。

电子秤是由电阻应变片，测量电路，差动放大电路，A/D转换器，显示电路等电路组成。

其中电阻应变片是重中之重。

电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。

而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。

A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。

绪论

电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便成成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点。

是家庭购物使用的首选其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。

其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。

而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。

A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。

利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式传送到A/D转换器。

其次，由A/D转换电路把由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送A/D转换电路中。

再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。

具体方案如下：

第一章测量电路

电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。

在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。

并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。

1.1应变式传感器的工作原理

任何在线性范围内变形的弹性体，当其受力发生变形时，长度将发生改变，产生应变，这种效应称为应变效应。

长度的相对变化称为应变，用ε表示，ε=ΔL/L，其中L是原始长度，ΔL是变化量。

利用电阻应变片将应变转化为电阻变化的传感器通称为应变式传感器。

应变式传感器的工作原理是，机械弹性结构体受力变形时产生应变效应，这种应变效应由电阻应变片完成检测，应变片的电阻变化再由电桥完成信号的转换，并最终输出与弹性体受力成对应关系的电信号。

为了弄清楚电阻应变片的工作原理，先考察金属电阻丝受力变形后的电阻变化，电阻丝拉伸前后的变化如图1-1所示。

图1-1金属丝应变效应

金属丝的原始长度是L，半径r，受力F作用后长度为L+ΔL，半径为r-Δr。

根据金属丝的电阻计式，由R的全微分得到R的相对变化，表达式如下：

（1-1）

式中：

ΔL/L是长度的相对变化，即应变ε；ΔS/S是截面积的相对变化；Δρ/ρ是电阻率的相对变化。

对于金属丝的变形，有

（1-2）

式中：

μ为泊松比，它反映了金属丝变形后长度的相对变化ΔL/L和半径的相对变化Δr/r之间的比例关系，如对于钢材，μ=0.285。

将式（1-2）代入式（1-1），得（1-3）

电阻的相对变化对应于应变的灵敏度系数定义为

（1-4）

所以金属丝的灵敏度系数为（1-5）

1.2电阻应变片的特性

1.2.1电阻应变片

电阻应变片有金属应变片和半导体应变片两种。

传统的金属应变片又分为丝式和箔式两种。

半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。

半导体应变片的灵敏度系数一般高于金属应变片，但稳定性不如金属应变片。

图1-2（a）、（b）、（c）分别是丝式应变片、箔式应变片和半导体应变片的结构。

丝式、箔式应变片的结构特点是将敏感应变的电阻丝用不同的工艺方法制作成栅状。

图1-2金属电阻应变片的结构

金属应变片对电阻丝材料有较高的要求，一般要求灵敏度系数大，电阻温系数小，具有优良的机械加工和焊接性能等，康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。

根据应变片应变测试方向的不同，应变片有多种结构形式，主要有正向、切向、45°方向、圆周方向等形式的应变片。

应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的，这就要求粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件的应变传递到敏感栅上。

选择粘结剂时必须考虑应变片和被测件的材料性能，要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，电绝缘性良好，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化等。

常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。

传统的丝式金属应变片已经很少见，目前常用的是箔式金属应变片这

种应变片的制作方式有蚀刻、蒸发和溅射等工艺。

应变片的阻值通常在一百欧姆到几千欧姆之间，金属应变片阻值较小，半导体应变片阻值较大。

应变片通常要求有较高的绝缘电阻，一般在50~100MΩ以上。

应变片的最大工作电流是指应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。

工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。

但工作电流过大会使应变片发热，使灵敏度系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。

工作电流的选取要根据试件的导热性能、工作环境温度及敏感栅形状和尺寸来决定。

通常直流静态测量时取25mA左右，交流或间隙测量时可适当取高

当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R。

实验表明，在弹性变形范围内，ΔR/R与轴向应变εx的关系满足下式:

（2-6）

定义K=（ΔR/R）/εx为应变片的灵敏度系数。

它表示安装在被测试件上的应变片在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化ΔR/R与其单向应力引起的试件表面轴向应变εx之比。

由于受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响，应变片的灵敏度系数K通常小于相应敏感栅整长应变丝的灵敏度系数k。

其中最主要的影响因素是敏感栅的结构形状，尤其是栅端圆弧部分横向效应的影响。

1.2.2横向效应

如图1-3（a）所示，应变片粘贴在被测试件上时，其敏感栅由n条长度为l1的直线段和端部n-1个半径为r的半圆弧组成，则敏感栅对应的金属丝长为nl1+（n-1）πr。

当将敏感栅与等长度直线状的金属丝置于同样的轴向应变εx下，并比较其电阻变化时，敏感栅中直线部分nl1与等长度直线状金属丝产生的电阻变化是一致的，但敏感栅的半圆弧段则受到从εx到εy（图中εy=-μεx）之间变化的应变，有的拉伸，有的反而压缩，其电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度金属丝电阻的变化。

图1-3应变片轴向受力及横向效应

（a）应变片轴向受力图；（b）应变片的横向效应

综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅端部的结构导致电阻变化减小，因而其灵敏度系数K较整长电阻丝的灵敏度系数k小，这种现象称为应变片的横向效应。

应变片是利用敏感栅直线段的应变——电阻变化完成应变测量的，转弯段不仅降低了灵敏度，还带来测量误差。

为了消除转弯段的影响，减小横向效应，可使转弯段“短路”或尽量使转弯段本身的阻值降低，为此，一般多采用箔式应变片的结构，它的转弯段与直线段相比要宽大得多，如图1-2（b）所示的结构。

1.2.3应变片的温度误差及补偿

⑴应变片的温度误差

①电阻温度系数引起的阻值变化

当金属电阻丝的温度变化时，其电阻也将改变。

敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可表示为

Rt=R0（1+α0Δt）（1-6）

式中：

Rt是温度为t时的电阻值；R0是温度为t0时的电阻值；α0是金属丝的电阻温度系数

当温度变化Δt时，电阻的变化为

ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt　（1-7）

式中，Δt为温度的变化值，Δt=t-t0。

②电阻丝和应变试件线膨胀系数不同引起的阻值变化

　当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。

　设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，温度变化后的长度分别为

　　电阻丝：

Ls=L0（1+βsΔt）

　　试件：

Lg=L0（1+βgΔt）

粘在一起时，电阻丝跟随试件改变，附加应变为

（1-8）

附加的电阻变化是

（1-9）

③温度系数和线膨胀系数引起的虚应变片

　　由式（1-7）和式（1-9），可得由于温度变化而引起的应变片电阻相对变化总量为

（1-10）

（1-10）式中，α为应变片粘贴后的当量电阻温度系数，有

α=α0+K（βg-βs）（1-11）

对应的虚应变为

（1-12）

⑵电阻应变片的温度补偿

1自补偿法

　　自补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来进行补偿的。

由式（1-11）可知，如果

应变片金属丝的电阻温度系数α0满足

α0=-K（βg-βs）（1-13）

则温度引起的虚金属丝应变为零，可实现自补偿。

　　由于应变片金属丝的电阻温度系数α0与应变栅材料、退火温度等有关，因此当被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料，控制相关工艺参数，即可使电阻温度系数α0满足式（1-13）的条件。

2线路补偿法

　　应变片一般用电桥作为转换电路，如图1-4所示。

该电路为单臂电桥，R1是应变片，其余为同阻值的固定电阻。

如果R2处接入一个与R1具有相同温度虚应变的电阻，则可起到温度补偿的作用。

一般地，通过在不受力的试件上粘贴另一片应变片接入R2位置而达到温度补偿的目的。

如果采用半桥、全桥转换电路，电桥本身就能自补偿。

另外，将热敏电阻接入电路，通过热敏电阻随温度变化而引起的电阻变化调整供桥电压，使之与温度变化引起的输出变化方向相反（可选择正温度系数或负温度系数的热敏电阻），也能起到补偿作用

图1-4单臂电桥转换电路

1.3电阻应变式传感器的测量电路

1.3.1直流电桥

　　⑴电桥平衡条件和调零

　　直流电桥转换电路如图1-5（a）所示。

当RL=∞时，输出电压为

（1-14）

电桥达到平衡时，输出电压为零，令Uo=0，由式（1-14）得

（1-15）

式（1-15）即为直流电桥的平衡条件。

图1-5直流电桥转换电路和调零电路

当式（1-15）不满足时，输出电压U0不为零，此时需要调零电路完成调零。

图1-5（b）是典型的直流电桥调零电路，调节电位器Rr可以补偿R1、R2、R3、R4间的不平衡。

⑵电桥的电压灵敏度

1单臂电桥的电压灵敏度

　　单臂电桥是将电阻应变片接入电桥的一个桥臂，如图1-4的R1位置，其余桥臂为固定电阻，则其输出电压为

（1-16）

因为电桥初始状态时是平衡的，有R2/R1=R4/R3，令n=R2/R1=R4/R3为桥比。

由于ΔR1/R1很小，则

（1-17）

定义直流电桥电路的灵敏度系数为

（1-18）

欲使电路的灵敏度最大，令

，得（1+n）2-2n（1+n）=0（1-19）

即n=1。

所以，选择桥臂电阻阻值，使桥比为1，电路灵敏度达到最大。

此时的输出电压为（1-20）

电路的灵敏度系数为

（1-21）

从前面的推导得知，式（1-20）的输出电压是式（1-16）略去分母中ΔR1/R1项得到的结果，简化后的输出电压Uo与电阻相对变化ΔR1/R1之间是线性的。

如果不作简化，实际输出电压为

（1-22）

令n=1，这一线性化引起的非线性误差为

（1-23）

例如，测量过程中电阻的相对变化ΔR1/R1＝1％，当采用单臂电桥作为转换电路时，由式（1-23）计算后，得到的非线性误差为γL=4.8%。

它表明电阻的相对变化较大时，这种简化带来的非线性误差将变得非常严重。

2半桥、全桥的电压灵敏度

　　在试件上粘贴两个工作应变片，一个为受拉应变片，一个为受压应变片，大小相等，方向相反，接入电桥相邻桥臂，将构成半桥电路，如图1-6（a）所示；在试件上粘贴四个工作应变片，两个为受拉应变片，两个为受压应变片，分别接入对边桥臂，构成全桥电路，如图1-6（b）所示。

图1-6差动电桥转换电路

对于图1-6（a）所示的半桥电路，输出电压为

（1-24）

若ΔR1=ΔR2，R1=R2=R3=R4，则

（1-25）

半桥电路的灵敏度系数为：

（1-26）

对于图1-6（b）所示的全桥电路，输出电压为

（1-27）

全桥电路的灵敏度系数为

KU=E（1-28）

1.3.2交流电桥

当电桥的供桥电压为交流电压时，电桥的转换电路为交流电桥。

与直流电桥比，交流电桥双向供电，有利于消除零漂。

所以，实用的电桥转换电路多为交流电桥。

图1-7差动电桥

以半桥为例，图1-7（a）所示为半桥交流电桥的接法，为交流电压源，由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片上各并联了一个电容，电容C1的阻抗是1/（jωC1），电容C2的阻抗是1/（jωC2），C1与R1并联，C2与R2并联，如图1-7（b）所示。

由并联阻抗的计算公式知，每一桥臂上的复阻抗分别为

（1-29）

Z3=R3　　（1-30）

Z4=R4（1-31）

与直流电桥一样，交流电桥的平衡条件为

Z1Z4=Z2Z3（1-32）

即满足

（1-33）

交流电桥中，式（1-33）满足时，输出　为零；不满足时，输出

不为零，所以，交流电桥的调零需要同时调节R和C两个参数。

图1-8所示是交流电桥的平衡调节电路，需要同时调节Rc和Rr，才可补偿电桥阻抗的不平衡。

图1-8交流电桥的调零

对于图1-7（a）所示的半桥交流电桥，设Z1和Z2是大小相同、变化方向相反的两个阻抗，且有

Z1=Z0+ΔZ

Z2=Z0-ΔZ

由于Z3=Z4=Z0，因此电桥输出为

（1-34）

如果是全桥交流电桥，也可用类似的方法求得输出，此时的电压灵敏度比半桥交流电桥大一倍。

第二章差动放大电路

目前的电子称重装置大都使用电阻应变桥式传感器,其核心是由电阻应变计（应变片）构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。

但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。

一般说来，传感器输出的电压值都非常小，基本上都是毫伏级甚至微伏级。

在设计高精度电子秤时，需要外部放大电路来获得足够的增益。

3.1仪表仪器放大器的选择

仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。

它只需高精度OP07和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。

广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。

OP07参数：

⑴低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）

⑵极低的输入失调电压—10μV

⑶极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃

⑷具有长期的稳定性—0.2μV/MO

⑸低的输入偏置电流—±1nA

⑹高的共模抑制比—126dB

⑺宽的共模输入电压范围—±14V

⑻宽的电源电压范围—±3V～±22V

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，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07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接地，5空脚6为输出，7接电源+。

3.2差动放大电路图：

本设计中差动放大电路结构图如下：

图2-1

所用芯片：

  LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

3.3A/D转换

在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。

模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。

实现模/数转换的部件称A/D转换器或ADC。

随着大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工程领域的广泛应用，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路不断产生。

3.4A/D转换器的选择

常用的几种A/D类型：

积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

本项目选用双积分型A/D转换器。

它是由积分器，比较器，逻辑控制电路，闸门电路，计数器及时钟脉冲源等电路组成。

其原理图：

图2-2

3.5电压表部分电路图应用

图2-3

注意要点：

⑴辨认引脚芯片的第一脚，是正放芯片

⑵各个节点以及电源的电压

⑶芯片引脚的元件数值

⑷比例读数

第三章LED显示电路

工作原理：

　　数显电子秤电路原理如图所示，其主要部分为电阻应变式传感器R1及IC2、IC3组成的测量放大电路，和IC1及外围元件组成的数显面板表。

传感器R1采用E350~ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350O。

测量电路将R1产生