电阻应变式称重传感器设计论文38257.doc

智能仪器综合设计电阻应变式称重传感器设计摘要：在分析重力传感器信号特性的基础上，模块化地设计了称重传感器信号的调理电路并对其进行了仿真实验。结果表明：电路能实时、准确地处理信号，且工作稳定，可靠，重复性好，抗干扰能力强，可实现精密测量的目的。关键词：称重；lab view；电阻应变式传感器；放大电路。一、引言随着现代数据采集系统的不断发展，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。由于传感器输出的信号往往存在温漂、信号比较小及非线性等问题，因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，这样一来，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，并且其电路设计的优化程度直接关系到数据采集系统的精度和稳定性。在称重传感器信号检测中，检测精度受到诸多因素的影响，其中电桥激励电压源的精度和稳定度是影响信号精确度的重要因素之一。电桥输出与激励电压成正比，因此，激励电压出现任何漂移都将导致电桥输出出现相应的漂移。并且现场工作环境恶劣，可能存在粉尘、振动、噪声以及电磁干扰等，称重传感器输出的几百微伏至几十毫伏信号极易受到干扰。所以研究抗干扰能力强、实时性好的信号变送和传输技术对保证检测精度具有重要意义。二 工作原理1、 原理框图 2、 称重传感器（ms-1）ms1型钢制“s”称重传感器，承受拉、压外力均可，输出对称性好，结构紧凑、安装方便、规格齐全。可用于制造机电结合称、吊钩秤、料斗秤及各种专用称、工艺称等。外形尺寸量程：50kg；尺寸：a=51mm；b=13mm；c=64mm；螺纹（公制mm）：m81.25；技术指标：主要技术指标单 位技术指标灵敏度mv/v 20.0130.01非线性%fs0.02滞后重复性0.01零点输出%fs1零点温度系数%fs/100.02额定零点温度系数输出电阻38510输入电阻35010绝缘电阻m5000供桥电压v10(dc/ac)max:15(dc/ac)温度补偿范围1050允许温度补偿范围2060允许过负荷%fs120连接电缆mm5 连接方式输入：红（）蓝（） 输出：黄（） 白（） 标定数据：标定数据温度：25 桥压：10v.dc 阻抗：350 载荷 输出（kg）01020304050加载（mv）03.9997.99911.99815.99819.998卸载（mv）04.0028.00111.99915.998转换系数k:k=20-103.9995+30-203.9995+40-303.9993+50-404.00004=0.3999575应变片测量电路：上图为直流供电的测量电桥原理图，其中第一臂为电阻应变片，由应变片引起的电阻变化为r1，当r1=r2、r3=r4时，电桥的电压灵敏度su为最大，此时有：u0=14ur1r211+12r1r1 (1)su=u0/r1r1=14u (2)u0=14ur1r1 (3)采用差动电桥可以消除非线性误差。因此本设计电阻应变式称重传感器选用直流供电应变全桥，该电桥的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了4倍，且具有温度补偿作用。3、 放大电路r1=10k； r2=2.4k; r3=238k; r4=2.4k; r5=100k放大倍数k=(r3/r2)(r5/r4)4100;n1 n2 n3 均为op07: 由于称重传感器的输出电压最大值为19.998毫伏，而采集卡的有效幅值范围为10v，再加上给称重传感器施加的力达不到最大值。因此，我们对总的放大倍数定位4000倍左右。从而使放大电路的输出电压值在-10v+10v之间，以此达到了数据采集卡的要求。实际电路截图：4、 数据采集数据采集用的是ni数据采集卡，其型号是cb-68lp,如下图示：由于虚拟仪器软件中的daq选择的是通道1，所以只接采集卡的68和34管脚，为了使电路能达到平衡在67和34、67和68之间均接了阻值为2k的电阻，从而使数据显示的结果能更加精确。5、 lab view处理对于数据的处理我们采用的是虚拟仪器软件（lab view7.1）。前面板截图：后面板截图：daq使用方法介绍：因为数据采集卡的输入信号是模拟信号，因此选取analog input放大电路输出的是电压信号，故选用voltage通道选取0同道，接线的时候正向输入接68管脚，34管脚接负向输入。数据采集卡的测量电压范围为10v+10v，因此输入范围最大值选10v，最小值选10v。电路采用的是差东放大，因此终端配置选择差动式（differential）软件程序介绍： 为了能既可以是用手动采集数据和自动采集数据，因此程序的设计使用了case。当选择键打到手动挡是，程序运行后点击前面板的手动采集按钮即可手动获得测量数据。而当打到自动挡是，运行程序后即可自动获得测量数据。 这段程序将daq采集到的数据分离出来，并将其转换成被测力的量值。其中系数0.3999575是通过传感器的标定数据中的到的。 这段程序是延时程序，延时时间为500ms，目的是为了防止采集数据的速度过快。这段程序是在所得数据中进行采样，并使其以波形图的形式在示波器显示。这段程序的作用是实时显示测量结果，即显示测量结果的同时显示得到该数据的时间。这段程序的作用是将采集到的数据予以保存，保存的路径为程序所在的文件夹。这段程序的作用是将测量接过以表格的形式显示在前面板的结果显示中。三 使用方法1、 将传感器安装在被测系统中，安装时应使受力方向通过传感器的中心线（拉压、称重），以防实测中产生侧向力影响测量精度。2、 按原理图接好线路：红线 电源正；蓝线 电源负；黄、白线为输出端接二次仪表黄线 输出正；白线 输出负；3、 测力时，将传感器接上直流电源，大小为12v。测量前，先将传感器预热10分钟。然后点开lab view程序，运行程序。4、 加上欲测力进行测试。四 注意事项1、 工作环境尽可能清洁，避免与较高的非工作热源接触。2、 在输出端用公共地线时，传感器供桥电压必须单一使用，严禁两只以上的传感器共用一个电源。3、 传感器不得随意拧开外壳或扭动固紧螺钉。4、 传感器应定期进行静态标定，以保证使用精度。5、 最大载荷力不应超过满量程的150%。五 硬件电路设计与调试心得在这次课程设计中，我主要负责硬件部分的设计工作。硬件电路主要包括直流电源、ms1型钢制“s”称重传感器、应变片桥式测量电路、电压放大电路，信号采集电路。其中传感器需提供+12v直流，电压放大电路中op07芯片需12v电源，由于已有做好模块，直接选用。选用的ms1型钢制“s”称重传感器中已将应变片桥式测量电路集成在其中，测量电路也不用设计。信号采集部分选用ni数据采集卡，其型号是cb-68lp。所以需要设计的是电压放大电路。由于ms1型钢制“s”称重传感器电压输出为310mv,而cb-68lp数据采集卡采集电压为10v。需放大1000倍左右。最初的想法是采用下图所示的高公模抑制比三运放放大电路，由于采用差动输入，可有效抑制干扰信号。搭出了上述电路，由于电路复杂，电阻不好匹配，调试困难，经过两日努力，没有实质性进展，后来经组里讨论，放弃了该方案。其实也由于这次放弃，导致最终的结果也不是很理想。后来采用了级联的放大电路，搭出了串联型的三级放大，经测试没有放大效果。觉得很泄气。学了几年，连一个放大电路也做不出来。经过一日思考，觉得自己有总体性要求，但细节处理不好。接下来就一步一步从头开始做。先做一级放大。最初有一个很天真的想法，选用合适的电阻，直接放大1000倍不就行了吗！搭好电路，测试没有效果。事实上，op07放大倍数在几十倍时比较合适。后来搭成第一级放大40倍左右，第二级放大10倍左右，分级测试成功。最大输出电压达到12v。再接上采集电路，由于没有平衡滤波措施，采集信号干扰很大，没有预想效果。在老师指导下，在采集卡68、34，67管脚接上平衡电阻，干扰被消除。但采集电压变小，只有0.03v。分析原因，输出阻抗很大，放大电路带负载能力差。想到了电压跟随放大电路。在放大电路输出端加入跟随器，再接上采集电路。经测试最大也只能达到1.7v。最终电路如下图：由于各方面原因，我的硬件部分就只做了这么多。虽然最终效果不是很好。但还是收获了很多。1. 做电路之前，要有一个总体规划。最好有多种方案可选择。2. 搭建电路时，把整个电路分成若干模块。每做好一个模块，测试一个模块。做好一部分，就测试该部分的匹配协调性。3. 注意理论跟实际的差别，理论可行与实际可用是两回事。如果有可能，最好能找到经测试能用的经验电路。4. 测试过程中可能问题很多。要多思考，多讨论，勤于查找相关资料。六 总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所们学习的知识，也培养了我们去设计一个方案，然后在团队的协作下去实现这一方案。在设计过程中，与同学分工合作，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，也学会了理解。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次传感器应用与设计，我在多方面都有所提高。通过这次传感器应用与设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识完成了我们这一方案的实现，巩固与扩充了以往课程所学的内容，对虚拟仪器和测控电路这两门课程有了更进一步的掌握，同时对其它各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考和团队合作的能力也