《传感器报告》word版.doc

哈尔滨理工大学测控技术与仪器专业学年设计报告哈 尔 滨 理 工 大 学课 程 设 计 题 目： 测力系统设计、制作及精度分析 姓 名： 班 级： 学 号： 指导教师： 成 绩： 年 月 日不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- -目录第1章 绪论11.1 课程设计目的意义1 1.2 课程设计的任务.11.3 课程设计时间安排2第2章 总体方案设计32.1 工作原理32.2 系统组成72.3 本章小结7第3章 硬件电路设计83.1 传感器设计83.2 转换电路设计93.3 振荡电路设计103.4 本章小结14第4章 PCB板设计、安装与调试154.1PCB板设计154.2PCB板安装164.3PCB板调试174.4 本章小结17第5章 系统标定、测试与精度分析185.1系统标定195.2测试215.3精度分析225.4 本章小结22结论23致谢24参考文献25心得体会.26千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- I -第1章 绪论1.1 课程设计目的意义这门课程是在测控技术专业学生学习了误差理论、测控电路和传感技术课程之后开设的综合性的实践课程，通过本课程的训练，除了使学生掌握误差理论、传感技术和测控电路的基本理论，主要致力于培养学生综合运用误差理论、测控电路和传感技术相关理论知识，合理地选择、使用、设计、制作、调试传感器以及变送电路的能力，尤其是培养学生建立测量误差存在于测量全过程的概念，掌握测试结果数据处理方法、误差分析方法以及精度评定方法。采用异步教学方法组织实践教学，培养学生自主学习能力、动手能力与创新能力。1.2 课程设计任务1、 设计传感器根据传感器的工作原理，设计应变片式测力系统。包括系统参数设计和结构设计。2、 画出传感器的结构图。3、 设计弹性体结构，给出具体参数。4、 设计转换电路和调理电路；进行电路仿真实验。5、 设计并加工制作PCB板。焊接电路板，并完成电路板的调试，输出要求的直流信号。6、 对所设计的测力系统进行标定。对该系统给定标准力输入信号，测出系统输出信号，并对所获得数据进行数据处理，建立回归方程，进行方差分析及显著性检验，给出回归精度估计。7、 用所设计测力系统对某一力进行测量，给出测量结果及其测量不确定度。8、 撰写课程设计报告（撰写规范参见哈尔滨理工大学学士论文撰写规范）。内容包括：目录、设计题目、方案讨论、设计计算（公式、框图、设计计算程序、设计结果）、精度分析、参考资料、设计小结等，并与图纸一起装订成册。1.3 课程设计时间安排课程实践学时2周，主要内容及时间安排可大致分配如表1。表1 学年设计内容及时间分配阶段实践内容时间（天）第一阶段选题、查阅资料、不同方案分析与比对，最优方案确定；传感器设计及变送电路设计，调试解调电路设计；Protel绘制电路原理图及仿真实验，绘制印刷电路版图3第二阶段调制解调电路调试；转换电路及放大电路调试4第三阶段测试系统标定实验；相应参数测量实验及精度分析2第四阶段答辩1第2章 总体方案设计2.1 工作原理在传感器的应变片全桥性能实验中，我们知道电阻应便是传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化为弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的监测，如力，电压，加速度，力矩，重量等，在机械加工，计量，建筑测量等行业中应用十分广泛。根据课程设计的要求，将应变片接成全桥式的。应变片的工作原理如下：应变片的电阻应变效应，所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变效应而其电阻值也会产生相应的改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。在测力应变式传感器中，将应变片接入放大电路中，在砝码盘上放入重物，用万用表测出电压的变化，从而达到设计要求。测力传感器的原理：由一个或多个能在受力后产生形变的弹性体，和能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路（如惠斯登电桥），以及能把电阻应变片固定粘贴在弹性体上并能传导应变量的粘合剂和保护电子电路的密封胶等三大部分组成测力传感器。在受到外力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起阻值变化，电阻变化使组成的惠更斯电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量电信号。对于测力传感器来说，弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的形状及相关尺寸。如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行合理的设计至关重要。弹性体的设计基本属于机械结构设计的范围，但因测力性能的需要，其结构上与普通的机械零件和结构有所不同。一般来说，普通的机械零件和结构只须满足在足够大的安全系数下的强度和刚度即可，对在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必严格要求。然而，对于弹性体来说，除了需要满足机械强度和刚度要求以外，必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位的应力与弹性体承受的载荷保持严格的对应关系；同时，为了提高测力传感器测力的灵敏度，还应使贴片部位达到较高的应力水平。由此可见，在弹性体的设计过程中必须满足以下两项要求：（1）贴片部位的应力应与被测力保持严格的对应关系；（2）贴片部位应具有较高的应力水平。为了满足上述两项要求，在测力传感器的弹性体设计方面，经常应用“应力集中”的设计原则，确保贴片部位的应力水平较高，并与被测力保持严格的对应关系，以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。 INA102的工作原理：INA102是高精度的集成运放，内部集成3个运放。首先该芯片有很好的稳定性。因其内部附设有九个精度极高的金属膜电阻，且其温度稳定性也极高，所以其具有很高的共模增益，而且在使用时不需要外接电阻。且受温度影响小，也就是说，有很好的温度特性。该运放可进行一倍放大，十倍放大，一百倍放大，一千倍放大。同时，自身的电路就能实现抑制温漂的功能。当需要的共模抑制比高于自身提供的共模抑制比时，INA102提供的接口就能削减共模信号。其缺点是当放大倍数过高时增益的精度下降，所以本组在设计电路的时候只使用其10倍放大端口。由于芯片内部含有三个集成运放和多个阻容元件，它具有放大微弱差动信号的能力，因而常用来作为数据检测系统的前置放大。使用中，当电压放大倍数较小（如K10）时，INA102能很好地满足失调电压及漂移等指标要求。当电压放大倍数较,大（如K100）时，因偏置电流的不平衡而引起的失调电压误差较大，常采用输出失调调整电路来调整INA102的失调电压。下图为INA102芯片的引脚图：OPA27的工作原理：是超低噪声、高精度、单片运算放大器。在1kHz时的噪声最大值为3.8nV/(Hz)的-2次方，低失调电压最大值为25 微伏,低漂移为0.6微伏/摄氏度，高开环增益最小为120dB，高共模抑制比最小为114dB，高电源抑制比最小为100dB，在本信号调理电路中作为调零电路的芯片和-10倍的放大芯片。（原理图见图2） OPA128的工作原理：是超低失调电压介质隔离FET输入单片运算放大器。低失调电流最大为75fA，低失调电压最大为500微伏，低漂移最大为5微伏/摄氏度，高开环增益最小为110dB，高共模抑制比最小90dB，在本信号调理电路中作为缓冲输出级芯片。（原理图见图3） 2.2 系统组成本设计是由悬臂梁式全桥应变片及芯片INA102（接成1000倍放大）和调零电路(由OPA27芯片接电阻及电位器)组成。其中，INA102是主要芯片，用作1000倍放大，将传感器输出信号进行放大。2.3 本章小结为将电阻式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电阻作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。因此，为了得到较大的输出信号一般都采用单臂或全桥工作。第3章 硬件电路设计3.1 传感器设计3.11应变片的结构电阻应变片是用直径为0.010.05mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的电阻值，将电阻丝排列成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，其结构如图14-1 在图中，电阻两端焊有引出接线。为保证电阻丝不外露，在其上粘贴绝缘覆盖层。图中L成为工作基长，b称工作基宽，b-L称为应变片有效面积。3.12测量原理金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。dR/R=Ks*其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号表示。由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。3.2 转换电路设计直流电桥的基本形式，它是由连接成环形的四个桥臂组成的，每个桥留上是一个电阻、在电阻的两个相对连接点与接人激励的直流电源，而在另两个连接点与上接引出线作为电桥的输出端，在它的后面可以接后续的直流放大器A等。两个对角线将相对的两个顶点连接起来，就好僳在它们之间架起了一座“桥”。没桥臂的电阻分别为只及和直流电桥电路，它们可以全部或部分是应变计；由于其中一个桥臂(或两个、三个、四个桥留)的应变电阻受外界物理量的变化而发生微小变化。将引起良流电桥的输出电压发生变化，所以，可以由此测量被测的物理量。用全桥测量还有一个优点即：如果有温度变化时，由于两相邻的应变计具有相同的电阻温度误差，所以，它们所产生的附加温度电压因相减而抵消，实现了温度的自动补偿。若采用单臂电桥工作，为了补偿温度误差，往往也需在此工作应变计附近放置另一个相同的应变计，并接入相邻的工作桥臂中：该片虽然不承受应变，但也和工作应变计一样感受温度的变化。由于它们由温度变化引起的电阻变化相同，所以能通过电桥的和、差特性得到补偿。直流电桥的优点是：所需要的高稳定度直流电源易于获得。仓态或难静态物理量时，输出量是直流量，可用直流电表测量，精度较高：电桥调节平衡电路简单，只需对纯电阻加以调整即可；对传感器及测量电路的连接导线要求低，分布参数影响小。它的缺点是：容易引入工频干扰；后续电路需要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也较复杂；不适宜于进行动态测量。因此需要采用交流电桥作为测量转换电路。电桥电路按其工作方式分有单臂（左一）、双臂（中间）、全桥（右一）三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。3.3 振荡电路设计方波发生电路方框图：调制信号解调信号开关型调制器低通滤波器开关型解调器放大器方波发生器3.4仿真实验传感器调理电路在设计之初的仿真截图（图3.5）,由于做了实物以后采用单级放大，但是没有仿真，因此在这里只贴出初次仿真的截图。调制电路 调制波形：解调电路：解调波形：3.4 本章小结电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。本设计采用全桥差动电路，消除了非线性误差，还能起到温度补偿的作用。在放大和转换环节均采用了高性能的芯片，从而避免了搭载电路的不稳定。整套方案能长时间稳定工作，完全满足设计要求指标。通过本章设计，让我们加深了对电阻式传感器的认识和了解，同时在设计过程中也很多收获，首先，在制作电路前必须把原理搞清楚，确保方案没有错误，同时深刻理解，锻炼了我们分析和解决问题的能力。其次，我们的基本理论都是采用所学知识，让我们深刻认识理论与实践相结合的重要性以及理论与实践存在的差异性，也让我们学会采用不同的途径查询所需资料，并认真学习。本次课程设计过后，我们巩固了电路的基础知识，以及原件选择方面的知识，受益匪浅。第4章 PCB板设计、安装与调试4.1 PCB板设计：由于考虑到整个系统的可靠性和元件连接的可靠性，因此本组决定加工PCB板。本组PCB板的设计用Altium designer 10进行设计，设计步骤为以下几步：第一步：画原理图，对照元件列表检查元件编号和封装，特别注意滑动变阻器的封装和插针的封装形式。第二步：根据完工的原理图生成网络表，并且由软件检查是否有连接错误。第三步：新建一个空白PCB文档，在禁止布线层绘制一个封闭的区域，大小为4*4cm第四步：装载网络表，如果提示错误或者警告，一般是因为一些元件的封装没有确定，或者是因为管脚没有连接好。如果出现错误信息，则要重新修改原理图直到没有错误为止。最后点击“执行”完成网络表的装载。第五步：手动把堆叠在一起的元件拉开，按照重要元件在中央，接口元件在线路板边缘、电阻电容在主要元件尽量排齐的基本原则下布置元件，尽量保证元件之间两相最短。第六步：既可以进行手动布线也可以使用自动布线，本组采用自动布线+手动调整，这样可以加快设计进度。第七部：调整元件位置和布线，使走线远离焊盘，并且调整走线不合理的地方。（PCB图见图3）（原理图见图4）（图3）（图4）4.2 PCB板安装：首先先进行焊接，然后用万用表测试管脚与管脚之间是否绝缘，是否有虚焊或者焊脚不牢固的地方。然后通电并插上应变片进行整体测试，确定PCB的走线都没有问题，可以正常使用。本组在整体测试的时候发现输出调零模块失效，最后发现是在画PCB板的时候软件自带的电位器的封装错误，导致电位器的管脚错误，于是本组在焊接的时候将管脚进行了交换，这样这个PCB板还能正常使用。（焊接完的图片见图5）（图5）4.3 PCB板调试：将测试成功的PCB板接上应变片的插头，当托盘上没有物体放置的时候进行输出调零，调节电位器的大小，使输出变为0为止，然后在托盘上放置砝码，这是观察输出时候线性，来确定PCB板上的芯片都正常工作。4.4 本章小结：采用Altium designer 10设计并绘制原理图。根据Multism中仿真成功后的电路图绘制PCB板，依靠书本上的知识和之前绘制PCB的经验以及查询其他资料，经Altium designer 10中的电气规则检查后，确保PCB板具有一定的实用性。尽管经过几次检查，可是电位器的封装还是产生了一些错误，由于第一次制作PCB板，所以那些错误还是难免，以后在制作中要注意细节问题，如果是芯片的电源脚接错，造成的后果是不可恢复性的。第5章 系统标定、测试与精度分析5.1 系统标定 标定的主要作用是： 1）确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值； 2）确定仪器或测量系统的静态特性指标； 3）消除系统误差，改善一起或系统的正确度。 在科学测量中，标定是一个不容忽视的重要步骤。标定就是通过实验建立起测力系统输入量和输出量之间的对应关系，并确定出 不同使用条件下的系统误差。 标定的基本方法是利用一种试验设备 （如标定架） 加载一个已知的标准载荷 （力 值）作为输入量，输入到待标定的传感器（如三分量测力天平）中，通过测量电路 得到该传感器的输出量（电压值） 。然后将传感器的输入量(如：标准砝码的重量) 和输出量（电压值）进行比较，得到传感器的标定曲线，进而确定其灵敏度系数。 标定一般可分为静态和动态标定两种， 在传感器工作频率小于其固有频率的情 况下，只需进行静态标定；如果该传感器是用来测量瞬变力或交变力，则还必须进 行动态标定与校准，下面介绍的是静态标定试验： 1、传感器的选择 根据模型试验的具体内容选择合适量程的测力传感器。一般情况下， 传感器的 量程应超过模型受力最大值的 2030%，以保证传感器的使用安全和测试精度。 本标定试验中选择的是三分量测力传感器，即可同时对模型受到的切向力 X （T） 、法向力 Y（N）和扭矩 M (Q)进行测量，静态标定试验中分别对 X、Y 和 M 进行标定。 2、传感器的安装 为了获得可靠的标定曲线，所加载的已知力大小和方向必须精确。因此在将传 感器安装到标定架上的过程中，应注意每一个环节安装的准确性。 3、测量系统的连接、组成 测量系统由动态电阻应变仪、桥盒、A/D 数据采集卡以及计算机等组成。 1）在没有通电的情况下将测力传感器的导线、桥盒、电阻应变仪、A/D 数据 采集卡以及计算机等正确连接好。 2）检查并确认接线无误后，通电并检查各个仪器、设备工作是否正常。 4、加载实验 1）对传感器切向力 X（T）的标定：将传感器的 X 方向垂直向下安装在标定架上，将经过检验的标准砝码（重量相 等）逐个加到标定架的砝码盘上，每增加一只标准砝码，待其稳定后记录下法码盘 中砝码的重量和对应计算机中显示的电压值； 2）对传感器法向力 Y（N）的标定： 将传感器顺（逆）时针旋转 90，使其 Y 方向垂直向下安装在标定架上，按 上述步骤进行标定实验；3）对传感器扭矩 M (Q)的标定： 将力臂横梁固定在传感器上，并保持横梁水平，将扭矩标定法码盘挂在横梁的具体的公式跟你电阻应变片贴片和组桥方式有关。如果仅需使用，可以做一下标定。应该有个电路测得电压的吧？在力传感器上加载标准的力，测得输出的电压，做线性拟合得到直线的斜率。使用时测量电压，就可以算出对应的力了。（一般力传感器会存在零点漂移，所以每次使用时需要测出当前的零点。）5.2 测试连接好电路，检查无误后供电，将输出信号接在万用表的红表笔上，黑表笔接地，在砝码盘上依次放入砝码，测试输出结果数据如下表： 图中测试结果为电压值，单位为V。数据处理： 下图为测量值的散点图 拟合直线如下：根据测量数据及公式可得到以下数据：所以，用最小二乘法可求得拟合直线方程（一元线性回归方程）为： y=0.01725x+0.063958336迟滞误差：4.1666667*0.001/3.509167*0.5=0.00059368重复性误差：=0.02/3.51=0.005698线性度：0.01/3.51*100%=0.002849灵敏度：0.01725y=0.01725x+0.063958336x=57.9710y-3.707735.3 精度分析 测量一个质量小于200g的物体，如此物体为40g，可测出数据如下： 被测物 （实际40g） 电压（V）0.740.750.750.760.75 计算的结果如下：当电压为0.75时，x=39.19081（g） 当电压为 0.74时，x=39.77052(g) 当电压为0.76时，x=40.35023(g) 所以，5.4 本章小结这一章是该试验