《电子秤的设计》课程设计.docx

电子秤的设计课程设计 传感器技术课程设计课题：电子秤的设计 班级 学生姓名学号 指导教师 电子信息工程系 电子秤的设计 一、系统方案设计 设计的主要内容如下： 1、运用电阻式传感器并采用全桥测量电路。 2、设计一款电子称，根据输出的电压的变化可以得到物体的质量。 3、电路由全桥测量电路，三运放放大电路组成。 1.1 概述 本课程设计的电阻应变式传感器为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，将电压（V ）改为重量（g ）即成为一台原始电子秤。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，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运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。 1.2 系统方案框图 基本的工作原理框图如下： 图一 原理框图 二、工作原理 2.1 检测原理 电阻应变式传感器工作原理 电阻应变式压力计是电测试压力计中最常用的一种。它是将应变电阻片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力。 应变式压力计是基于电阻应变效应的原理即电阻丝在外力的作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。 设有一根电阻死，其电阻率为，长度为l ,截面积为S ，在未受力时的电阻值为 R=S l - 公式一 输入 质量 传感器 三运 放大器 输出 电压 图二 金属丝伸长后几何尺寸变化 如图二所示，电阻丝在拉力F 作用下，长度l 增加，截面S 减少，电阻率也相应变化，将引起电阻变化R ，其值为 R R ?=l l ?S S ? ? -公式二 对于半径r 为的电阻丝，截面面积S=2 r ，则有s s ?=r r ?2。令电阻丝的轴向应变为l l ?=，径向应变为=?r r -=?)(l l ，由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得 R R ?=（1+2 ?+) -公式三 通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为 K = ?+=?)21(R R -公式四 从公式四可以明显看出，电阻丝灵敏系数K 由两部分组成：受力后由材料的几何尺寸受力引起)21(+；由材料电阻率变化引起的1)(_?。对于金属丝材料，1)(_?项的值比)21(+小很多，可以忽略，故21+=K 。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数。通常金属丝的=1.73.6。公式四可写成 R R ?=K -公式五 2.2 传感器选择 金属电阻应变片 常见的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计采用的是电阻丝应变片。金属电阻应变片分为金属丝式和箔式。为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。 （二）转换电路选择 电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是： A. 电阻丝温度系数引起的。 B. 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。 对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。 图三 传感器安装示意图 图三为传感器安装示意图。应变片将被测试件的应变转换成电阻的相对变化R R /?，还须进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表进行测量。通过电桥电路实现这种转换。通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。、对单臂电桥输出电压U01=EK /4；不同受力方向的两只应变片介入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK /2；全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始值：R1=R2=R3=R4，其变化值4321R R R R ?=?=?=? 时，其桥路输出电压U03=KE 。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。因此，此设计选择了全桥测量电路。 2.3 测量电路介绍 1、常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.0000010.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.00050.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。 测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。 Rw1 图三全桥测量电桥图 它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50左右，测量电桥的电源由稳压电源U in供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。 2、本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。 图四运算放大电路 3、总体电路设计 图五全桥实验接线图 图五为全桥实验接线图全桥测量电路由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50左右，测量电桥的电源由稳压电源U in供给。合上电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置，在进行 差动放大器调零，方法为将差动的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw4,使数显表为零。 将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)或0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。重复标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。成为一台原始的电子秤。 2.4 误差分析与修正 (1)系统误差 (2)随机误差 附录：1、参考资料 （1）、模拟电子技术基础 （2）、脉冲与数字电路（使用教材） （3）、自动检测技术 （4）、传感器及应用 2、元器件表