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学习子情境1电阻应变式力传感器单片机接口课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1.1.1 51单片机概述单片机概述1.1.2 51架构架构1.1.3 8051引脚功能表述引脚功能表述1.1.4 常见常见51系列单片机系列单片机1.1.5 金属应变片工作原理金属应变片工作原理1.1.6 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性1.1.7 测量电路测量电路1.1.8 应变式传感器应用应变式传感器应用1.1.1 51单片机概述n51单片机的起源单片机的起源1980年年Intel推出首款推出首款8位单片机位单片机-8051Intel在在80-82年陆续推出和年陆续推出和8051指令系统完全相同，内指令系统完全相同，内部结构基本相同的部结构基本相同的8031、8052和和8032等型号单片机，等型号单片机，初步形成初步形成MCS-51系列，被奉为系列，被奉为“工业控制单片机标准工业控制单片机标准”84年年intel出售了出售了8051的核心技术的核心技术nPHILIPSnATMELnADInCYGNAL发展至今形成一个有近千种型号的庞大的发展至今形成一个有近千种型号的庞大的51单片机家单片机家族。族。n51系列单片机的鼻祖系列单片机的鼻祖80511980年诞生于美国年诞生于美国intel公司公司8bit数据宽度数据宽度最高运算速度最高运算速度1MPS可以进行乘法运算可以进行乘法运算片内片内4KbyteROM，128byteRAM64K寻址寻址5级中断管理、级中断管理、2个个16bit定时器定时器UART串口、串口、48bit并口并口n51系列单片机的遗传基因系列单片机的遗传基因兼容的指令系统兼容的指令系统n相同的指令相同的指令n相同的语法相同的语法相同的基本结构相同的基本结构51架构架构引脚兼容引脚兼容1.1.2 51架构(51 Architecture)串行通信接口全双工 1个ROMTXD RXD中断系统并行通信接口48bit定时/计数器 n16bitRAM时 钟电 路CPU总线控制n8051内部内部ROMROM：ReadOnlyMemory(只读存储器只读存储器)一般用于存放程序和表格等不常改变的数据常见的一般用于存放程序和表格等不常改变的数据常见的OM种类：种类：掩膜掩膜ROM(MaskedROM)EPROM(ElectricallyProgrammableROM)EEPROM(E2PROM)FlashROMOTPROM(OneTimeProgrammableROM)8051单片机的单片机的ROM是掩摸是掩摸ROM：容容量量：4096byte(212)地址范围地址范围：0000H1FFFHn8051内部内部RAMRAM：RandomAccessMemory(随机存储器随机存储器)一般用于存放程序执行过程中产生的大量的临时数据，一般用于存放程序执行过程中产生的大量的临时数据，相当于相当于PC的内存。的内存。8051单片机的内部单片机的内部RAM：容容量：量：128字节字节地址范围：地址范围：00H7FHn8051的的CPU-CentralProcessingUnit(中央处中央处理单元理单元)作用：作用：控制控制n协调片内各部分的工作时序逻辑协调片内各部分的工作时序逻辑n控制和片外联络的时序逻辑控制和片外联络的时序逻辑运算运算n加法运算加法运算n减法运算减法运算n乘法运算乘法运算n除法运算除法运算n布尔逻辑运算布尔逻辑运算(与、或、非、异或、移位等与、或、非、异或、移位等)51架构与51单片机的内部存储器 内部ROM 内部RAMROM：Read Only Memory 只读作 用：存储程序或表格类 型：EPROM/FLASH/OTP容 量：064K(065536)单位-字节(byte)容量大小视单片机型号不 同而不同地 址：0000HRAM：Random Access Memory 可读可写作 用：存放程序运行中产生的临 时数据容 量：128byte 容量大小视单片机型号不同而不同类 型：DATA 000127 IDATA 128255 XDATA 0001.1.3 8051单片机引脚功能描述P1口P3口P0口P2口 时钟端 复位端控制信号 接VCC（+5V）接地端1.1.4 常见51系列单片机n51单片机的改进方向单片机的改进方向制造工艺制造工艺更新为更新为CHMOS工艺工艺(型号中含型号中含C)特点：低功耗、高速、电平兼容特点：低功耗、高速、电平兼容TTL和和CMOS比如：比如：89C51、80C51采用采用Pipeline(流水线流水线)进一步提高进一步提高运算速度运算速度8051：1MIPSC8051Fxx：25MIPS片内植入片内植入A/D、D/A、PCA等等功能模块功能模块片内片内存储器存储器扩展和改型扩展和改型FlashROM、OTPROM引入更多的引入更多的通信方式通信方式如如SPI、SCI、I2C等等采用更小的采用更小的封装和功耗封装和功耗Philips80C51系列单片机系列单片机 Philips8位位8051单片机系列提供完整的产品类型，包括单片机系列提供完整的产品类型，包括Flash、OTP(一次性编程一次性编程)、ROM和无和无ROM器件。由于为实时应用而设计，这些器件。由于为实时应用而设计，这些80C51器件可以广泛应用器件可以广泛应用于从消费类产品、计算机外设到自动化系统的各种领域。于从消费类产品、计算机外设到自动化系统的各种领域。1.1.5 1.1.5 工作原理工作原理1.金属的电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化F l、A、R电阻的灵敏系数电阻的灵敏系数对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又由材料力学可知，在弹性范围内，为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；金属电阻的灵敏系数金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定2.2.应变片的基本结构与种类应变片的基本结构与种类 敏感栅 直径为.025mm左右的合金电阻丝结构 丝绕式 基底 绝缘 覆盖层 保护位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件 应变 外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化 应变片应变片的类型和材料应变片的类型和材料 n金属丝式 n金属箔式 n金属薄膜式 回线式短接式 金属丝式应变片金属丝式应变片 金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，同一电阻材料，K0=1+2是常数。其灵敏度系数多在是常数。其灵敏度系数多在1.73.6之间。之间。金属箔式应变片 n在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状 箔式应变片 优点优点：（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性大 阻值调整 金属薄膜应变片金属薄膜应变片 n采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 n优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产n问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系 1.1.6 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性 （一）灵敏系数（二）横向效应（三）温度误差及其补偿应变片的电阻值应变片的电阻值 Rn应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 n电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变片承受电压，电阻值大 输出信号大，敏感栅尺寸也增大 （一）灵敏系数（一）灵敏系数“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真还存在有横向效应 原因：（二）横向效应（二）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻 K (箔式应变片)l lyxy横向效应横向效应 应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿 1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 温度误差 相应的虚假应变输出可得由于温度变化而引起的总电阻变化为温度补偿温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 电桥补偿法电桥补偿法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+RRb-RU0R1RR4R3URbR电桥补偿法电桥补偿法优点：n简单、方便，在常温下补偿效果较好，缺点：n在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。应变片的自补偿法应变片的自补偿法 n粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。na.选择式自补偿应变片nb.双金属敏感栅自补偿应变片 a.选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。由式由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为可知，实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立使下式成立(2.1.21)即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。R1R2组合自补偿法b.双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度 热敏电阻补偿热敏电阻补偿 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5分流电阻分流电阻UURt U=Ui-URtK1.1.7 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 1 1 直流电桥直流电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 1.直流电桥直流电桥 n 直流电桥的工作原理 IL=0时电桥平衡平衡条件:R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL2不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度 当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R 采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时式。此时式(2.1.24)可写为可写为当当Ri R (i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则上式表明：Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。略去分母中的R1/R1项,假设R1/R11单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系 实际输出电压实际输出电压电桥的相对非线性误差为电桥的相对非线性误差为2.2.非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿减小非线性误差减小非线性误差采用的措施为采用的措施为：（1）采用半桥差动电桥 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R2R1R2R3R4=R，R1R2=R 严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用输出电压为：U0R1R1UR2R2R4R4R3R3全桥差动电路全桥差动电路1.1.8 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用n1应变式力传感器n2 应变式压力传感器n3.应变式液体重量（或液位）传感器n4 应变式加速度传感器柱柱式式力力传传感感器器1应变式力传感器应变式力传感器（a）实心圆柱；（）实心圆柱；（b）空心圆筒；）空心圆筒；R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF(2)梁式力传感器梁式力传感器等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷 b0R1R1R2R2l l0 0l lF Fb bh 等截面悬臂梁b0R1R1R2R2X Xl lF Fb bh 等强度悬臂梁 双端固定梁薄壁圆环式力传感器薄壁圆环式力传感器在外力作用下，各点的应力差别较大在外力作用下，各点的应力差别较大BK-2S称重称重传感器感器产品品详细介介绍采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度-10+50 BK4轮辐式式传感器系列感器系列 采用采用轮辐式式结构，高度低，抗偏构，高度低，抗偏抗抗侧能力能力强，测量精度高，性能量精度高，性能稳定定可靠安装方便，是大、中量程精度可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力子衡器和各种力值测量，如汽量，如汽车衡、衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数 量程（t）1，2，5，10，20，30，50 供桥电压 12VDC 灵敏度 152mV/V 输入阻抗 73020 非线性（%FS）0.03,0.05,0.1 输出阻抗 70010 重复性（%FS）0.03,0.05,0.1 绝缘电阻 2000M 滞后（%FS）0.03,0.05,0.1 工作温度-10+50 允许过负荷 120%FS 热零点偏移（%FS/10）2.2.应变式压力传感器应变式压力传感器 trR4R3R1R2 UU0膜片P P r r t tR1R2 R3R4rrtt膜片式压力传感器 筒式压力传感器 测较大压力测较大压力 机床液压系统的压力（106107Pa），枪炮的膛内压力（108Pa），动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定 组合式压力传感器 应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 通常用于测量小压力。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。AK-1型型应变式脉式脉动压力力传感器感器产品品特点：采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量3.3.容器内液体重量（液位）传感器容器内液体重量（液位）传感器液位传感器液位传感器式中式中A1、A2传感器的传输系数；传感器的传输系数；g重力加速度重力加速度(m/s2)；被测溶液的密度被测溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量溶液重量式中式中Q容器内感压膜上面溶液的重量容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D柱形容器的截面积柱形容器的截面积(m2)。4.应变式加速度传感器应变式加速度传感器在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。应变式加速度传感器结构示意图应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁等强度梁2质量块质量块3壳体壳体4电阻应变片电阻应变片