应变式称重传感器设计

太原理工大学现代科技学院《传感器原理与应用》课程设计设计名称应变式称重传感器设计专业班级测控11-2学号2011101471姓名李玉堃同组人王鑫王海平设计日期2015年1月太原理工大学现代科技学院课程设计任务书注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。专业班级测控11-2学生姓名李玉堃课程名称传感器原理及应用设计名称应变式称重传感器设计设计周数1.5周设计任务主要设计参数主要性能指标(量程0-1kg)设计内容设计要求应变式称重传感器的选择；工作原理设计；分类与结构设计；测量电路设计主要参考资料[1]陶宝祺.电阻应变式传感器.北京:国防工业出版社,1993[2]刘迎春、叶湘滨.传感器原理与应用.长沙:国防科技大学出版社,2006[3]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.北京:国防工业出版社,1999学生提交归档文件按任务书要求进行课程设计，并撰写课程设计说明书。应变式称重传感器设计摘要粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的准备。设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（如果可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。在某些工业中，如航天工业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很容易修正的。如果称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并测量出这些影响量所造成的误差。如果某部分结构（如接头、销子、压杆）用来测量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。称重传感器设计包括许多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。关键词：传感器，电阻应变式，称重目录第一章方案设计................................................................................................5第二章传感器设计.............................................................................................52.1传感器的选择.........................................................................................52.1.1电阻应变式传感器.........................................................................62.2设计分析...............................................................................................62.2.1应变片的测量电路........................................................................62.2.2前级放大器部分............................................................................82.2.3A/D转换模块..............................................................................92.2.4控制模块....................................................................................102.2.5显示模块....................................................................................102.2.6键盘输入....................................................................................102.2.7电源模块....................................................................................112.2.8本部分总结................................................................................112.3电路原理图..........................................................................................122.3.1弹性元件的选择...........................................................................132.3.2信号转换放大部分......................................................................132.3.3A/D转换部分（ICL7315）...........................................................142.3.4单片机控制部分..........................................................................16第三章软件设计..............................................................................................163.1主程序流程图.......................................................................................16第四章课设小结..............................................................................................18参考文献..........................................................................................................19第一章方案设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。我们的设计原则是：采用模块化的设计方法，各模块、部分也尽量应用集成芯片，这样及保证了精度有可使设计简单化。按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。图1—1电子秤模块设计图第二章传感器设计2.1传感器的选择传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。目前对于压力测量的传感器件大致有：压电传感器、电容传感器、电阻应变片传感器等。2.1.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。通过对传感器分析，最终选择电阻应变片式传感器。2.2设计分析2.2.1应变片的测量电路电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，inE接直流电源E：图2—1全桥电路)(434211RRRRRRE))((43214231RRRRRRRRE3421RRRR)()()()()()(22RRRRRRRRERRRRuoERR称重传感器就是应用了应变片及其全桥测量电路。图2—2数字电子称原理框图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有：ADABBDouuuu=（2.1）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.2）ou=0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.1），则电桥输出为Ek（2.3）题目要求称重范围0～1Kg,满量程量误差不大于0.05Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重0.5Kg。我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为1Kg，精度为0.1%，满足本系统的精度要求。2.2.2前级放大器部分采用专用仪表放大器AD620。此芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。AD620,接口如下图所示：图2—3AD620仪表放大结构图电路的工作原理：A1，A2工作在负反馈状态，其反相输入端的电压与同相输入端的电压相等。即RG两端的电压分别为VIN+,VIN-。因此Ig=Vin+-Vin-/RG（2.4）设电阻R1=R2=R，则A1，A2两输出端的电压差为U12=Ig（R1+R2+Rg）=(Vin+-Vin-)(1+2R/Rg)（2.5）比较两式可得：VO=-U12=-(Vin+-Vin-)(1+2R/Rg)（2.6）则放大器的增益Av为