传感器综合实验--电子称的设计与制作

项目一：电子称的设计与制作技能训练目标要求:1.了解传感器的作用与工程应用情况2.了解传感器的分类3.了解应变片的原理与用途4.学会应变测量电路的设计与制作5.掌握电桥测量电路的制作要领1.1传感器基础知识1.1.1概述1.定义传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示:物理量电量2.传感器的组成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。如下图的温度电阻。dV3.传感器的分类1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩机械式,电气式,光学式，流体式等。2)按工作原理分类:切削力测量应变片动圈式磁电传感器能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如:水银温度计。结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。5.传感器的命名由主题词加四级修饰语构成。主题词——传感器；第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字；第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字；第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。1.1.2传感器的主要特性参数1.灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，如右图所示，可表示为：dxdysx0ydydx2.分辨率分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率。可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。灵敏度愈高，分辨率愈好。3.线性度与非线性误差线性度是用实测的检测系统输入—输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的，如下图所示。线性度可用非线性误差来表示，计算式为：%100FSmfYE12ΔLmaxymaxxmax04.迟滞迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间，输入—输出特性曲线不一致的程度。如右下图所示。通过实验，找出输出量的这种最大差值，并以满量程输出YFS的百分数表示，如下式：%100FSmtYEyxmaxΔHmax012ymax1.2检测系统的基本组成一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成。检测系统的组成框图如下：被测量传感器测量电路电源指示仪记录仪数据处理仪器1.3相对误差相对误差是仪表指示值的绝对误差δ与被测量真值x0的比值，常用百分数表示，即相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。在上面的例子中:%100%100000xxxxr%01.0%10010001.01r%005.0%10020001.02r引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值，通常以百分数表示。引用误差如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值δm代替δ，则可得到最大引用误差r0m。%1000Lr%1000Lrmm对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差就是一个定值。1.4电阻应变应变片电阻应变片基于金属导体的应变效应，即阻值随机械变形的变化而发生变。1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数金属应变片的电阻R为AlR/dAldAAldlAdR2代入AlR/dRAdARldlRdRdAdAldlRdR有：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变：ldlrdr有：dRdR2对金属材料，导电率不变：)21(RdR金属丝应变片：应变计金属应变计半导体应变计drdrldlRdR2简化为：dRdRE•优点：灵敏度大;体积小;•缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。3)应变片的主要参数其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。电阻值：应变计的原始电阻值。灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4)应变片测量电路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV))((324131425)应用：测力6)标准产品7)案例：桥梁固有频率测量案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。1.5电子称的制作1、原理如图所示，采用E350~ZAA箔式应变片，其常态阻值为350Ω。2、元件选择1）IC1选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精度低温标精密运放OP-07；IC4选用LM385－1.2V。2）传感器RI选用E350－ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350Ω。3）各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。4）RPI选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。5）电容中C1选用云母电容或瓷介电容。3、制作1）电子线路的制作元件布置：横平竖直，间距适当；锡焊：控制焊点大小，注意虚焊；2）变形钢件的制作可用普通钢锯条制作，先将锯齿磨平，再将锯条加热弯成“U”形，并在对应位置钻孔，以装显示部件。然后再进行淬火和表面处理，秤钩粘于钢件底部。应变片用应变胶粘剂粘接于钢件变形最大的部位。4、调试1）在秤体自然下垂无负载时调RP1，显示为零；2）再调整RP2，使秤体承担满量程2千克时显示满量程值；3）然后在秤钩下悬挂1千克的标准砝码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000；4）重新进行2、3步骤，使之均满足要求为止；5）准确测量RP2、RP3值，用固定精密电阻代替；思考题l.检测系统由哪几部分组成?说明各部分的作用。2.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法?如何进行?4.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。