应变式传感器的应用-汽车衡

《检测与传感技术》调查报告题目：汽车衡称重系统的传感器班级：自142班学号：3140411034姓名：耶少锟选题类型：指定题目PPT制作2016年11月题目：汽车衡称重系统的传感器第1页共7页一、题目应用背景介绍汽车衡（truckscales）又称作地磅，是一种大型称重仪器。广泛应用于石油化工，煤炭，冶金，仓储，运输，港口等行业。具有用途多样，使用简便等功能特点。一个完整的汽车衡称重系统包括称体，传感器，显示仪表及计算软件四大基本构造。通常用来称量运载卡车的载货吨数。在二十世纪80年代之前常见的汽车衡一般是利用杠杆原理纯机械构造的机械式汽车衡。二十世纪80年代中期随着高精度称重传感器及称重计算软件技术的日益成熟，机械式汽车衡逐渐被精度高、稳定性好、操作方便的新式汽车衡所取代。本文中主要对汽车衡称重系统中的传感器技术进行讨论分析。二、传感器的选择与分析作为检测系统中的第一个环节，汽车衡称重系统中的传感器的选择是非常重要的，它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置，即感受到被测信息，并将这种由称重物体重量所产生的压力信号（也就是压力非电量）与电阻信号（电量）的转换。通过对不同传感器的分析和比较，最终选择了电阻应变式传感器。作为测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常见的传感元件就是电阻应变片。其具有的精度高、测量范围广、结构简单、体积小、质量轻等特点。三、传感器工作原理与分析电阻式应变片传感器工作原理（理论基础）就是电阻应变效应。该效应是金属导体（压力传感器使用材质）所独具的特性。金属导体的电阻随着机械变形的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。下面具体介绍电阻应变效应：根据物理学知识知道，金属导体的电阻与其长度和横截面积有关R=ρl/S(1)ρ为电阻系数，不同的金属其值不同。L为电阻丝的长度。S为电阻丝的横截面积。当金属导体两端受力F作用时，长度l变化(伸长或缩短)dl，相应的s变化(变小或变大)ds,ρ变化dρ(较小)，从而引起电R变化dR。将（1）式取对数并作微分运算，得：题目：汽车衡称重系统的传感器第2页共7页d(lnR)=d[ln(ρl/s)]=d(lnρ+lnl-lns)（2）又s=πr²，r为导体截面半径。所以：ds=d(πr2)==ds/s=dπ/π+2dr/r==ds/s=2dr/r（3）由材料力学知：dr/r=-μdl/l=-με（4）μ为泊松比ε=dl/lε即为电阻丝的轴向的相对变化，即应变。将（3）（4）两式代入（2）中，得：其中K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。由上式可以明显看出影响金属材料的灵敏系数的因素有两个：一个是受力后材料的几何尺寸所引起的，即1（1+2μ）项，另一个是受理后材料的电阻率所引起的，即项，但是对于金属材料来说后者带来的影响远远小于前者。由此已知在机械力作用下的金属丝的电阻相对变化值与受力后金属丝的几何尺寸的变化关系近似为线性。这就是电阻应变效应机理。但这种线性关系也是在一定范围内才能保持。（通过查阅资料，其具体范围K0一般在1.7到4.6之间）电阻应变片是传感器的核心元件是电阻应变片，它的主要作用是将试件上的应变变化转化为电阻变化。电阻应变片品种繁多、形式多样，但基本结构大同小异。常用的应变片可分为两类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。电阻应变片是一种电阻式的敏感元件，它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引线四部分组成。把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。敏感栅是应变片的核心部分，粘贴在绝缘的基片上，其上粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。基片受力后发生形变，引起敏感栅变形，因而敏感栅的电阻发生变化。测得应变片电阻值变化量后，即可得到外力的大小。国内外多以康铜丝作为金属电阻应变片材料。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。结论：经过应变式电阻传感器可以把称重物体的机械压力产生信号的变化转换为电阻的变化，实现从非电量到电量的转化。四、检测系统的结构一个完整的汽车衡称重系统中，除了上述介绍的电阻应变式传感器，还包括与之对应的检测电路，承担着将电阻信号放大、将模拟信号转换为数字信号、根据用户需求将信号传输到显示屏幕以及打印等多个功能，它的结构//d）（pp题目：汽车衡称重系统的传感器第3页共7页如下图：当称重物或载重汽车置于承载器台面上，应变片发生弹性形变，应变计桥路失去平衡，输出的电量信号大小与称重重量成正比，经过线性放大器对信号放大，再经A/D转换为数字信号，由检测系统中的微处理器（CPU）对信号进行处理并直接显示在数字屏幕上。此外，对于根据需要可以将信号接入PLC、触摸屏、打印机等设备。关于A/D转换接口技术，在本文中使用的是8位A/D转换芯片ADC0808。该芯片是最常见的A/D转换器件，且因为本次设计的是汽车衡对精度要求不太高，所以不适用10位或12位。ADC0808芯片共28条引脚，部分引脚功能：1~5和26~28:8路模拟量输入端。8、14、15、17~25：8位数字量输出端。22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6（START）：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。7（EOC）：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。（具体电路设计见附页）五、对检测系统地设计思考在A/D转换芯片设计完成后，我们使用ADC0808进行硬件仿真，但是实际上使用的是ADC0809，因为ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。具体的实际接地图如下：题目：汽车衡称重系统的传感器第4页共7页接线盒的主要功能：提供防雷击保护、确保温漂超低等A/D转换器：ADC0808芯片三运放大电路目的：采用差动放大形式将测重传感器的输出信号放大，（放大倍数为100）可以看到在四个参数相同，水平位置一致的传感器和秤台组成的称重平台通过线路连接到接线盒，从接线盒引出经过滤波，放大器和A/D转换器最终将数字信号传送到称重仪表并在数字显示表中显示出具体数值。此外，可以根据不同客户的不同需求连接计算机，打印机等各种设备。实际上在汽车衡的实际使用中，有很多实际问题是设计师所没有考虑到的，例如汽车衡秤台表面盖板螺栓易锈蚀维修时不易拆下，秤台之间的缝隙易漏水漏粉尘等，所以在汽车衡的后续设计中应该在标准化和模块化做改进，有利于产品的成规模成批量生产。六、对课程的意见或建议第一次接触检测与传感技术这门课，在以前的实践与学习中可能听说过传感器这个名词，但是关于工作原理，使用情况，甚至连外形都是一概不知。经过了11周的学习，关于传感器的分类，工作情况，工作原理有了较深刻的认识。不同于一般的课程选择笔试作为考核方式，我们这门课选择了答辩的形式，每个学生对应一个题目，对该题目结合实际进行设计，让我们对某一型的传感器进行深入的了解。但是因为课时显得紧凑，没有太多的时间让我们利用，学生可以分到一个实际的课题却没有办法做出实物，在课程结束的时候，只能对着论文空讲，作为学生来说还是很遗憾的。希望学校可以给这门课程再多一些课时。题目：汽车衡称重系统的传感器第5页共7页七、参考文献[1]马海平,李晓林.新型动态汽车衡称重系统的设计与实现[J].中国测试技术,2007,01:18-19+73.[2]林海军.汽车衡多传感器相关性与智能容错方法研究[D].湖南大学,2009.[3]于晓龙.汽车衡与轨道衡自动称重网络化控制系统研究与实现[D].大连交通大学,2010.[4]罗成.分布式车辆称重控制系统研究[D].杭州电子科技大学,2013.[5]朱炜淋,杨青锋.基于称重传感器在电子汽车衡中应用的探究[J].衡器,2011,04:15-18.[6]吴阳平.汽车衡多传感器系统故障诊断技术研究[D].湖南大学,2010.[7]刘尹霞,訾贵昌,葛华.数字称重传感器在电子汽车衡中的应用[J].仪器仪表标准化与计量,2007,02:45-46.[8]刘希.基于移动网络的汽车衡远程监测仪表研究[D].大连理工大学,2014.[9]张晓东.弯板式动态称重系统的仪表设计[D].太原理工大学,2015.[10]宋连生.汽车衡传感器的选用与仪表的配置[J].仪器仪表用户,2009,05:68-69.八、附件工作时序。ADC0808芯片的工作时序，首先给定地址信号（A，B，C），选择转换通道，然后发ALE信号，在ALE上升沿，所有地址通道被ADc0808de通道地址锁存器锁存，对应的通道与内部电压比较器接通。启动控制信号START（START上升沿内部寄存器清“0”,START下降沿启动A/D转换）；在A/D转换期间EOC为低电平，当转换完毕时，EOC变为高电平，EOC可用于查询或中断。转换结果存储在三态数据输出锁存器中，等待OE信号的控制，当OE由低到高跳变时，锁存数据允许输出。通道选择。A，B，C决定转换的通道，在任何时刻，有且只有一个通道选通。通常通道的选择有二种方式，一种是A，B，C接单片机地址总线，访问时有MOVX指令；另一种是接单片机任意接口，访问时用MOV指令，模拟ADC0808工作时序，实现A/D转换。A/D转换器的数据线直接与单片机的PO端口相连。模拟通道选择信号A，B，C通过74HC373芯片接单片机低位地址线。控制信号连接总的原则是符合ADC0808工作时序的要求，ALE和START引脚接在一起，由WR和P2.0引脚通过与非门产生启动信号，启动A/D转换和锁存通道同时进行，用MOVX@DPTR,A指令会产生启动A/D转换信号。在A/D转换期间EOC为低电平，A/D转换结束EOC为高电平。题目：汽车衡称重系统的传感器第6页共7页三运放大电路图：