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装载 机智 称重 设计

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装载机智能称重仪设计,装载,机智,称重,设计

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四川理工学院毕业设计（论文）开题报告设计（论文）名称装载机智能称重仪设计设计（论文）类型B指导教师孙详国学生姓名管仕锐学号030110307系、专业、班级机电系机电031班一、选题依据：（简述研究现状或生产需求情况，说明该设计（论文）目的意义。）在当今现代化的社会里，各种测量仪表都向着智能化、记录化、多功能数字化的方向发展。随着称重技术的不断发展,人们对称重的测量精度和自动化程度也提出了越来越高的要求。纵观我国装载机的称重装置发展过程，经历了从最初的指针式到当今的多功能数字显示历时八年的研究过程。由于传统的机械式称重仪存在很多的弊端，在当今飞速发展的经济形式下，已越来越不能满足工程实际中对称重的要求。在这种情况下，智能型的称重装置应运而生。本论文设计的装载机智能型称重仪是为了防止装载机装车时引起货车超载造成铁路行车事故发生，同时防止亏吨确保客户的满意，其是一种具有智能功能的称重装置。它主要用于当装载机为铁路货车装载散堆料时，能自动显示每斗净重，同时累加重量，并且装满报警，保证货车车皮不超载、不亏吨。它与目前国内使用的指针式称重装置比较，增加了能自动去皮、累加、报警和打印功能，并且具有较高的精度。二、设计（论文研究）思路及工作方法装载机智能型称重仪采用自动定高测量系统控制，以油压为介质，用电阻应变式油压传感器采集相应的货物重量信息，再经单片微型计算机系统进行数据处理，将每斗货物除皮后的重量及其累加重量在LED屏上显示出来，并具有打印、报警等功能。三、设计（论文研究）任务完成的阶段内容及时间安排。1.查阅和搜集设计资料，制定设计方案（3.54.1）2.传感器、控制电路等的设计（4.24.25）3.计算机绘图（4.265.10）4.撰写设计说明书（5.106.5）5.评阅及答辩（6.66.24）指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日教研室毕业设计（论文）工作组审核意见难度分量综合训练程度 教研室主任： 年 月 日设计（论文）类型：A理论研究；B应用研究；C软件设计；D-其它等。四四 川川 理理 工工 学学 院院毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）说文）说 明明 书书题 目 装 载 机 智 能 称 重 仪 设 计 学 生 管 仕 锐 系 别 机电工程系 专 业 班 级 机械设计制造及其自动化机电 03.1 学 号 030110307 指 导 教 师 孙 祥 国 四四 川川 理理 工工 学学 院院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 装装 载载 机机 智智 能能 称称 重重 仪仪 设设 计计 系：机 电 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 031 学号： 0130110307学生： 管 仕 锐 指导教师： 孙 详 国 接受任务时间 2007/3/5 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求（1）总体方案设计（2）称重传感器设计（3）电源电路（4）传感器信号放大电路（5）A/D 转换电路（6）单片机系统 （7）自动控制定高测量系统2指定查阅的主要参考文献及说明MCS51 系列单片机实用接口技术电阻应变式传感器应用技传感器与信号处电路基础传感器技术手册3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅和搜集设计资料，制定设计方案3.54.12传感器、控制电路等的设计4.24.253计算机绘图4.265.104撰写设计说明书5.116.55检查6.66.24四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计I摘摘 要要随着称重技术的不断发展,人们对称重的测量精度和自动化程度提出了越来越高的要求。传统的机械式称重仪，不仅称重过程复杂、不能够保证精度，而且不具有自动去皮、累加和超载报警等功能。设计为智能型称重仪,与装载机设备配合使用，可以防止装载机装车时引起货车超载造成铁路行车事故发生，同时防止亏吨，确保客户的满意。它主要用于当装载机为铁路货车装载散堆料时，能自动显示每斗净重，同时累加重量，并且装满报警，保证货车车皮不超载、不亏吨。在设计的过程中，在保证仪器精度、稳定性和可靠性的前提下，尽量使仪器具有简单的结构。按此原则，设计采用模块化设计思路，将整个仪器分为压力传感器 ,电源电路,信号调理及放大电路 ,A/D 转换,显示电路 ,单片机系统 几个部分进行分析和设计关键词关键词：单片机，传感器，放大电路，A/D 转换电路A B S T R C TIIABSTRCTAlong with weigh technical development continuously, people put forward higher request for the Gravimetric measure precision and automation degrees. The traditional mechanical Gravimetric apparatus not only is complex process of weighing and cant guarantee precision, but also dont have automatic peel off ,accumulate and over loading alarm function, and so on, The design is intelligent Gravimetric apparatus, cooperating with loader equipment can prevent loader from causing railway accident when loading, and also can prevent losing one ton of satisfaction to guarantee the customer at the same time. It is mainly used for automatic displaying net weight of each shovel, accumulating weight at the same time, and also full filling alarming, so it finally guarantee the railway wagon of not overloading and losing one ton.During the process of designing, on the premise of guaranteeing the precision, stability and dependability, we must make the instrument have simple structure. According to this principle, we adopt the module mentality of designing, dividing the whole instrument into the following several parts to analyze and design. pressure transducer、the circuitry of power、circuitry of signal adjusted and amplified、A/D transforms circuitry、display circuitry、SCMC system and height control system.Keywords: SCM; Transducers; Magnify Circuitry; A/D Transform Circuitry.四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计III目目 录录中文摘要中文摘要.I英文摘要英文摘要.II第一章第一章 绪论绪论.11.11.1 问题的提出问题的提出.11.21.2 设计目的以及功能要求设计目的以及功能要求.11.31.3 传感器的重要性及国内外的发展趋势传感器的重要性及国内外的发展趋势.21.41.4 本文的主要内容和意义本文的主要内容和意义.3第二章第二章 总体方案设计总体方案设计.42.22.2 称重测量原理称重测量原理.42.32.3 总体方案的确定总体方案的确定.5第三章第三章 称重传感器设计称重传感器设计.73.13.1 传感器概述传感器概述.73.1.1 传感器定义及其组成.73.1.3 对传感器的要求.83.23.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器.93.2.1 弹性敏感元件.93.2.2 电阻应变片的结构和分类.133.2.3 电阻应变式传感器的工作原理.143.2.4 电阻应变片的变换电路.163.2.5 压力传感器测量电路.203.33.3 称重传感器设计称重传感器设计.203.3.1 概述.203.3.2 基本原理及结构计算.21第四章第四章 电源电路电源电路.254.14.1 基本稳压电路基本稳压电路.254.24.2 集成稳压元器件的选择集成稳压元器件的选择.264.34.3 稳压电路的设计稳压电路的设计.28第五章第五章 传感器信号放大电路传感器信号放大电路.305.15.1 前置放大器与传感器的配接特点前置放大器与传感器的配接特点.305.25.2 差动放大器的基本原理差动放大器的基本原理.315.2.1分析推导输出与输入基本关系的依据.315.2.2 差动输入放大电路闭环放大倍数的计算.325.35.3 差动输入比例放大器的误差分析差动输入比例放大器的误差分析.335.45.4 实实际际放放大大电电路路的的设设计计.335.4.1 信号放大器的选择.335.4.2 集成运算放大器的应用及主要特性参数.355.4.3 电路结构 .37第六章第六章 A/DA/D 转换电路转换电路.396.16.1 A/DA/D 转换电路的选择转换电路的选择.396.1.1 A/D 转换电路的主要参数.396.1.2 双积分 A/D 转换电路的工作原理.39目 录IV6.26.2 A/DA/D 转换芯片的选择转换芯片的选择.416.2.1 四位半双积分型 A/D 转换器 ICL7135.416.2.2 ICL7135 的输出时序.436.2.3 积分电阻、电容的参数选择.446.2.4 内部结构及转换原理.44第七章第七章 单片机系统单片机系统.457.17.1 MCS-51MCS-51 系列单片机的结构系列单片机的结构.457.1.1 MCS-51 单片机的基本组成 .457.1.2 MCS-51 系列 .467.1.3 8051 单片机的内部结构.467.27.2 80518051 单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能.477.37.3 MCS-51MCS-51 系列单片机接口设计系列单片机接口设计.487.3.1 A/D 转换器与 MCS-51 单片机的接口设计 .497.3.2 由 8155 构成的显示器接口电路.507.3.3 打印机和 MCS-51 单片机的接口设计 .50第八章第八章 自动控制定高测量系统自动控制定高测量系统.528.1 工作原理.52第九章第九章 结论结论.54参参 考考 文文 献献.56致致 谢谢.57四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计1第一章第一章 绪论绪论装载机智能型称重仪是为了防止装载机装车时引起货车超载造成铁路行车事故发生，同时防止亏吨,确保客户满意的一种具有智能功能的称重装置。1.1 问题的提出在当今现代化的社会里，各种测量仪表都向着智能化、记录化、多功能数字化的方向发展。随着称重技术的不断发展,人们对称重的测量精度和自动化程度也提出了越来越高的要求。称重装置不仅是提供重量数据的单体仪表，而且作为工业控制系统和商业管理系统的一个组成部分，推进了工业生产的自动化和管理的现代化，它起到了缩短作业时间、改善操作条件、降低能源和材料的消耗、提高产品质量以及加强企业管理等多方面的作用。称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。纵观我国装载机的称重装置发展过程，经历了从最初的指针式到当今的多功能数字显示历时八年的研究过程。由于传统的机械式称重仪存在很多的弊端，在当今飞速发展的经济形式下，已越来越不能满足工程实际中对称重的要求。在这种情况下，智能型的称重装置应运而生。1.2 设计目的以及功能要求论文就是要设计一种智能称重仪，以防止装载机装车时引起货车超载造成铁路行车事故发生，同时也为了防止亏吨确保客户的满意。它主要用于当装载机为铁路货车装载散堆料时，能自动显示每斗净重，同时累加重量，并且装满报警，保证货车车皮不超载、不亏吨。它与目前国内使用的指针式称重装置比较，增加了能自动去皮、累加、报警和打印功能，并且具有较高的精度。和传统的机械式称重装置相比较，要求其具有以下的优点：1.装载机智能型称重仪主要用于当装载机为铁路货车装载散堆料时，在不间断作业的情况下，能自动准确的测算出装载过程中所载物料的重量，以确保货车车皮不超载、不亏吨。2.该装置能自动测算每斗净重，并且具有自动余料去皮、单斗显示、累加显示、限载提示、超载报警和打印输出等功能。3.该装置具有不同吨位开关和软件，满足不同铁路货车（有50T、60T、61T、63T 四种车型）的不同额定吨位要求。4.该装置具有称零头开关，在装到车厢额定吨位差 5%左右时报警，最后一斗补满额定吨位差值，确保车厢货物为额定值。第 一章 绪 论25.该装置具有对因发动机转速升高或降低而引起液压系统油压波动造成测量精度误差的修正功能。6.该装置具有较强的抗干扰能力，可在恶劣的环境中（-20+40）稳定可靠的工作。7.该装置具有较高的称重精度，误差控制在2%范围内。8.该装置具有结构简单、技术先进、使用寿命长等特点。1.3 传感器的重要性及国内外的发展趋势传感器的英文名是 Sensor 或 Transducer。什么叫“传感器”？至今国际、国内尚无统一规定。在查阅了国内外资料后综合各种叙述和定义，暂且给出如下定义：“传感器是一个完整的测量装置（或系统） ，它能在规定的条件下感受外界信息，并按一定规律转换成与之有确定对应关系的电信息” 。在传感器、放大器和记录仪器组成的测量系统中，传感器是核心部分，因为它是与被测物直接接触的，它能不能真实的把被测物的受力状态感受且按恒定的关系反映出来，在很大程度上决定着测试工作的好坏。经验说明，有些测量工作的失败，原因很多，而传感器能否正常工作，往往是一个重要方面。90 年代后，我国将传感器的研究放在重要的位置上，尤其是高精度压力传感器。目前我国从事传感器生产的厂家有 1300 多家，所生产的产品种类仅有 300 余种（约为传感器种类的 1/7） ，产量 1 亿多只。由于众多厂家规模较小，设备落后，国家投入的资金不足且比较分散，因而与世界上大的传感器厂家相比，科研水平落后 5-10 年，而生产水平要落后 10-20 年，与世界上传感器更新换代的速度相比，落后几个周期，从而导致品种不全，产量过低，仅满足国内需求的 20%-30%。虽然我国传感器技术与发达国家相比比较落后，但并不是说我国的传感器的特性都不如国外的好，综合近期发表的文献，国产半导体压力传感器的特性参数有所提高，但国产传感器目前还存在着性能不稳、指标不全、寿命不长、备件不齐、应用不广等方面的差距，但这些差距普遍是由于基础工业落后引起的。国产传感器技术水平亟待提高。国外发展传感器主要有两条不同的途径，一是以美国为代表的先军工后民用，先提高后普及的高精尖路子。这种途径的主要特点是：能在较长时间里保持传感器技术研究的世界领先地位，保持军事科学的领先水平。但资金投入巨大，经济回收比较慢，是不发达国家和发展中国家不可采用的方法。二是以日本为代表的先普及后提高，由仿制到自行设计和创新的路子。这一途径的主要特点是：能把有效的资金投入到跟踪四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计3国际先进技术上，少走弯路，并且能在较短时间里形成大规模生产，迅速占领市场，较快地收到经济效益，正是这样，日本的传感器技术发展很快，迅速进入世界前列。我国是一个发展中国家，资金短缺，要想尽快赶上世界先进水平，必须走日本的路子。世界传感器技术是向小型化、数字化、智能化、灵巧化和标准化的方向发展，我国在传感器研究和产品开发方面与世界水平相比有较大的差距，目前我国正处于经济腾飞的年代，对传感器的需求量越来越大，因而，需要更多的人投入到传感器的研究中去，努力赶上世界先进水平。1.4 本文的主要内容和意义论文的主要内容是以传感器为核心，并设计了多个实用电路和系统，如放大电路，A/D 转换电路，数码显示电路，精密稳压电路，温度补偿电路，单片机系统，自动定高系统等，最终组成一个智能称重装置。将该装置与装载机配合使用，用以为铁路货车装载散堆料。以上的硬件电路和系统虽然是针对本称重装置设计的，但也适用于其他一般的称重系统，具有较大的实用性。通过该设计，能够综合运用所学知识，将机械和电子方面的知识联系起来，结合实际，使所学的知识得以很好的运用！第 二章 总 体 方 案 设 计4第二章 总体方案设计 2.1 工作原理装载机智能型称重仪采用自动定高测量系统控制，以油压为介质，用电阻应变式油压传感器采集相应的货物重量信息，再经单片微型计算机系统进行数据处理，将每斗货物除皮后的重量及其累加重量在 LED 屏上显示出来，并具有打印、报警等功能。油压传感器安装在装载机分配阀后到举升油缸之间的油管中，在一定条件下（每次称重斗都在一个指定高度，并在该高度停 2 秒钟）传感器所受油压力和装载机斗内货物重量成正比，故传感器输出电信号也正比于斗内货物重量，传感器输出的电信号经过阻容滤波和运算放大器放大之后，再经 A/D 转换，通过光电耦合器送入单片机的定时器通道，计算机进行数据处理（修正、去皮、累加、报警等） ，每斗净重显示秒后，进入总重量显示。总重量显示由吨位开关和称零头开关控制（这是为了满足铁路货车皮有 50T、60T、61T、63T 四种车型的满吨位报警设置） 。最后一斗为了补满载重吨位，可边倒出边称重，故设置了称零头开关。为了提高抗干扰能力采用了三级阻容滤波和光电耦合技术；为了确保电源的稳定性采用了串联式多级稳压技术和逆变电源技术，在电路中还设置了自动定高系统，从而满足装载机称重精度在国际标准 2以内。2.2 称重测量原理装载机智能型称重仪是通过测量举升臂油缸之液压油受载荷压力来测举升物的重量的。装载机是一个四连杆多支点的力学机构，其影响起升臂油缸油压的因素很多（如举升物的重量、起升臂的角度、举升时的加速度等等） 。我们采用特定的情况下称重，数学关系就比较简单，如图 2-1 所示：（1）在举升臂固定的角度下（定高停一下） ，静态称重（即测静态油压） ，这时油压和举升物重量成正比关系。（2）在举升臂固定的角度下采集数据，不停即动态称重。当举升加速度为零，匀速上升时，油缸之油压也与举升物重量成正比（瞬时采样） 。相关资料及实验数据表明上述理论是正确的。在上述两种情况下，油压传感器把油压变为电信号，再经过线性放大器放大，其输出的电信号仍然与举升的物重成正比。通过计算机的数据处理，即能显示举升物的重量。AB动臂，设长为 L1，A 为动臂铰点。CD油缸，C 为油缸铰点。L2A、C 两点间垂直距离。四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计5图 2-1 装载机智能型称重仪力臂关系Fig.2-1 the arm of force relations about intelligent gravimeter动臂与水平线的夹角。1a油缸与垂直线的夹角。2aG货物重量。F油缸的油压力（作用在动臂上）则 （2-1）2211sincosaFlaGl故 （2-2）GalalF2211sincos当在固定高度采样称重时，、为定值， 、为常数（瞬时采样视为定值） 。1a2a1l2l即为常数，F 和 G 成线形关系。2211sincosalal2.3 总体方案的确定 此装载机智能型称重仪主要由传感器、A/D 转换器、信号放大器、光电耦合器、单片机系统、自动定高系统、数码显示电路、加速度修正电路、温度补偿电路、报警电路、打印接口等组成。总体方案采用了当今最先进的单片微型计算机技术，它可以多功能化、智能化等；在抗干扰方面采用了光电耦合技术、三级滤波技术、A/D 双积分平滑滤波技术；在提高数字稳定性方面采用了逆变电源技术和三端稳压块串联稳压技术。其主要功能有：（1） 能自动去皮重并显示每斗净重；第 二章 总 体 方 案 设 计6（2） 有累计和报警功能（本功能对铁路货运很重要，因为每个车皮都有其额定载荷，铁路车辆不允许超重，欠载时客户又不满意） ；（3） 数字显示清晰，识别不同吨位车皮（50T、60T、61T、63T 等） ，无读数误差；（4） 具有自动定高系统，称量准确；（5） 具有打印功能，并把所装货物重量记录下来；（6） 利用软件系统对测量误差进行修整。电路框图如图 2-2 所示：图 2-2 总体方案设计框图Fig 2-2 The diagram of total project design1.电源电路 2.传感器 3.放大电路 4. A/D 转换 5.单片机系统 6.数字显示 7.报警电路 8.打印接口 9.车皮选择开关 10.定高控制系统31261045897四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计7第三章 称重传感器设计装载机智能型称重仪作为一种称重装置，其主要的称重测量元件就是传感器。只有通过性能良好的传感器，准确地捕获和转换信号，才能使称重装置具有较高的精度和可靠性。3.1 传感器概述3.1.1 传传感器定感器定义义及其及其组组成成1.传感器的定义传感器的定义传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。目前，由于电子技术的进步，使电学量具有便于传输、转换、处理、显示等特点，因此，通常传感器是将非电量转换成电量输出。2.传感器的组成传感器的组成传感器的组成按其定义一般是由敏感元件、转换元件和测量电路（基本转换电路）三部分组成。除自源型传感器外，还需外加辅助电源，如图 3-1 所示。图 3-1 传感器组成框图Fig.3-1 The diagram of transducer composition由图可知，传感器由以下几个部分组成：（1）敏感元件（预变换器） 直接感受被测量（一般为非电量）并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量（包括电量）的其它量的元件。（2）转换元件（变换器） 将敏感元件输出的非电物理量（如应变、光强等）转换成电路参数（如电阻、电容等）量。（3）测量电路（基本转换电路） 把转换元件输出的电信号变为便于处理、显示、记录、控制的可用电信号的电路。测量电路的类型视转换元件的不同而定，经常采用的有电桥电路和其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲电路、振荡电路等。（4）辅助电源 供给转换能量。敏感元件转换元件测量电路非电量电量辅助电源第 三章 称 重 传 感 器 设 计83.1.2 传传感器的分感器的分类类用于测控技术的传感器种类繁多，一种被测量可以用不同传感器来测量，而同一原理的传感器通常又可测量多种非电量，因此分类方法各不相同，目前尚没有统一的分类方法，了解传感器的分类旨在加深理解便于应用。一般常用的分类方法有以下几种：1.按输入量分类按输入量可分为温度、压力、位移、速度、湿度等传感器。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象来选择所需的传感器。2.按测量原理分类现有传感器的测量原理主要是依据物理学各种定律和效应以及化学原理和固体物理学理论。如根据电阻定律，相应的有电位计式、应变式传感器；根据变磁阻原理工作的有电感式、差动变压器式、电涡流式等传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏等固态传感器，等等。3.按输出量分类按输出量分类有模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器的特点是输出信号为模拟量；数字式传感器的特点是输出信号为数字量。4.其它分类传感器通常也可按结构型和物性型分类。（1）结构型 主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号。这种传感器目前应用得最为普遍。（2）物性型 是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。3.1.3 对传对传感器的要求感器的要求无论何种传感器，作为测量与控制系统的首要环节，通常都必须具有快速、准确、可靠且又经济的实现信息转换的基本要求，因此，对传感器有以下要求：（1）足够的容量。传感器的工作范围或量程足够大；具有一定过载能力。（2）与测量或控制系统相匹配性好，转换灵敏度高和线性程度好。（3）反应快，工作可靠性好。（4）精度适当，且稳定性好，即传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求，并长期稳定。（5）适用性和适应性强，即动作能量小，对被测量的状态影响小；内部噪声小而四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计9又不易受外界干扰的影响，使用安全等。（6）使用经济，即成本低、受命长，且易于使用、维修和校准。完全能满足上述要求的传感器是很少有的。我们应根据应用的目的、使用环境、被测对象状况、精度要求和信号处理等具体条件全面综合考虑。3.2 电阻应变式传感器电阻应变式力传感器由于其良好的性能正越来越多的应用于各领域。随着传感器技术的迅猛发展，目前的电阻应变式力传感器的测量范围已经宽达从百分之一牛到几十兆牛，精度则达到 0.005%甚至更高。电阻应变式力传感器具有以下的特点：（1）测量范围广。如应变力传感器可测量 10-2107N 的力；应变式压力传感器可测量 10-1106Pa 的压力；（2）精度高。高精度应变式传感器的误差可达 0.1或更高；（3）输出特性的线性好；（4）结构简单，使用方便，工作性能稳定、可靠；（5）能在恶劣的环境条件下工作。这类传感器能在大加速度和振动的条件下工作，只要进行适当的结构设计及选用合适的材料，应变式传感器能在高温、低温、强腐蚀及核辐射的条件下可靠地工作。（6）易于实现检测过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；（7）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；（8）可以测量多种物理量；电阻应变式传感器由弹性元件、电阻应变敏感元件以及变换电路等组成。其一般的构造，是在一定形式的弹性元件上粘贴或用其他的方法安装电阻应变敏感元件。当力学量作用在弹性元件上时使弹性元件产生相应的变形，由于电阻应变敏感元件的应变电阻效应，此变形促使其上的电阻应变敏感元件阻值随之发生变化，变换电路将这一阻值变化变换成电压变化输出，电压变化量的大小就反映了被测力学量的大小。下面我们就将从弹性元件的材料与结构形式、电阻应变敏感元件的转换原理以及变换电路、传感器温度补偿电路和测量电路等几个方面分别进行讨论。3.2.1 弹弹性敏感元件性敏感元件弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件之一，其质量的优劣直接影响传感器的性能及精度，有时还是传感器的核心部第 三章 称 重 传 感 器 设 计10分。弹性敏感元件能够感受力、压力、力矩、振动等待测参数，并由它变换为弹性敏感件本身的应变、位移（扰度）等，所以它是把被测参数由一种非电物理量转换成为所需要的另外一种物理量，直接起到测量的作用，故也可以称它为测量敏感元件。1. 弹性元件的基本特征弹性敏感元件的基本特性一般是用刚度和灵敏度来表征。1）刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度表示。亦即刚度是弹性元件产生单位位移所需要的力（或压力） 。如果用符号 k 代表刚度，则 （3-1）ddF)F(klim0式中 F作用在弹性元件上的外力； 弹性元件产生的变形。2）灵敏度灵敏度是刚度的倒数，即它是作用于弹性元件上单位力（或压力）所产生的变形。如果用符号 K 代表灵敏度，则 （3-2）dFdK从上式可以看出，若以相同的力作用在弹性元件上时，变形大的灵敏度就高，变形小的灵敏度就低。与刚度相似，如弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各种受力情况下的变形量是不相等的。 在传感器设计中，有时要应用 n 个弹性敏感元件串联或并联（例如组合式弹性元件） 。当弹性元件并联时，其灵敏度为 （3-3）n1iiK11K当弹性元件串联时，其灵敏度为 （3-4）n1iiKK式中 i并联或串联弹性敏感元件的数目； 第 i 个弹性敏感元件的灵敏度。iK2. 弹性敏感元件材料的选择衡量弹性敏感元件材料基本性能的主要指标是弹性储能（也叫应变能） 。弹性储能四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计11是材料在开始塑性变形以前单位体积所吸收的最大弹性变形功。它表示弹性材料吸收变形功而不发生永久变形的能力。要选择好的弹性敏感元件的材料，必须要了解对弹性敏感元件材料有什么要求。（1）材料的弹性模量由于弹性元件上的应变直接与材料的弹性模量有关，因而弹性元件材料的弹性模量直接影响着传感器的性能。（a）弹性模量与应变之间的关系要求材料的弹性模量在传感器额定量程内保持不变。这样，当弹性元件结构是线性情况时，就可以使得应变敏感元件处的应变与力、位移或压力等物理量之间保持线性关系。（b）弹性模量与温度之间的关系 大部分材料的弹性模量都随温度的升高而减小，因而，当外界温度改变时由于材料弹性模量随温度的升高而减小，就会造成传感器灵敏度的变化，对此必须进行线路的补偿。（c）弹性模量随时间的稳定性 要求材料的弹性模量不随时间发生变化，也就是说在传感器使用寿命期间内材料的弹性模量不发生变化。由于弹性元件在机械加工和热处理后存在着残余应力将重新分布，使弹性元件出现附加变形，造成传感器的重复性能差，并且还会出现蠕变和零漂。另一方面残余应力还将使弹性元件在加载过程中出现局部屈服，造成弹性模量的改变和不稳定。因而，弹性元件材料应选用机械加工和热处理后残余应力小的材料，并且要对弹性元件进行消除残余应力的处理，如进行疲劳或表面腐蚀等。（d）材料的加、卸载弹性模量要求弹性元件材料在加载和卸载时的弹性模量相同，也就是要求材料不产生机械滞后，加载和卸载时的应力应变曲线重合。否则，将造成传感器的迟滞。（e）动态状态下弹性元件材料的弹性模量作为动态传感器的弹性元件既要求在高频振动和冲击下的弹性模量不改变或改变很小，又要求有高的固有频率。（2）材料的强度要求材料的比例极限要高，这样弹性元件的工作应变区就大，相应的传感器的输出信号也就大。同时，传感器都是多次反复使用的，因而希望使用寿命要高，对此就要求弹性元件材料的疲劳强度要高。通常要求弹性元件中的最大应变值在 02000us 脉动循环时，第 三章 称 重 传 感 器 设 计12循环次数大于而不发生疲劳破坏。7101（3）材料的散热性能要求弹性元件材料的散热性能要好。由于电阻应变敏感元件在通电后要发热，传感器性能会随之发生变化，而此热量主要通过弹性元件散发，达到与周围环境的热平衡。即使在线路中采取了温度补偿措施，在传感器从通电到达热平衡的一段时间内，电阻应变敏感元件的热输出也是不稳定的。弹性元件的散热性好，达到热平衡的时间就短，所需稳定时间也就短，否则将需要很长的时间来使传感器输出稳定。（4）材料的线性膨胀系数要求弹性元件材料的线性膨胀系数要小。当外界温度变化时，弹性元件会产生变形，材料的线性膨胀系数越大，变形就越大。该变形将引起弹性元件的内应力，从而引起传感器的温漂及灵敏度的变化。（5）材料的抗腐蚀性要求材料的抗腐蚀性要好。传感器的使用时间长，且有不少是在有腐蚀性气体或液体的环境下工作的，如果弹性元件材料的抗腐蚀性能差，会由于弹性元件被腐蚀而使传感器灵敏度发生变化，因此要求弹性元件材料或其所加防护层能抗腐蚀。钛合金、弹性铌合金、半奥氏体不锈钢等材料都具有很好的抗腐蚀性能。（6）材料的工艺性能及价格要求弹性元件材料的工艺性能要好，易碾压、锻造、焊接、切削和热处理等，并且价格要便宜，以降低传感器的成本。3. 国内外常用的弹性元件材料国外传感器弹性敏感元件材料，主要使用的是合金结构钢。英、美、西德和瑞士等国多采用中碳镍铬钢；也有国家使用中碳铬锰硅钢及弹簧钢以至铁-镍恒弹合金及高速工具钢和价格昂贵的析出硬化型不锈钢。国内也主要采用合金结构钢，如 40Cr、30CrMnSiA 等，对腐蚀性介质则采用1Cr18Ni9Ti 不锈钢。为减小温度的影响，也采用弹性模量温度系数很低的如5J53、5J32 等的恒弹合金材料，在 60100时，其弹性模量温度系数仅为/，比一般材料的/低两个数量级。最近又发展了一种温度在610104103300左右温度系数及线性膨胀系数均较好的高温恒弹合金，但由于价格昂贵、加工困难、机械性能差，一般仅用于低压传感器。4. 弹性敏感元件的结构形式常用力传感器弹性元件的形式可以分为梁式和环式。而梁式弹性元件按固定情况可分为悬臂梁及两端固定梁，按截面变化又可分为等截面梁、等强度梁及其他变截面四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计13梁，按所检测的变形形式又可分为拉压式、剪切式及弯曲式等，截面形式又有矩形、工字形、圆形及空心截面等形式。其中，拉压式力传感器的优点是结构简单、制造方便，缺点是抗弯矩和横向力的能力差，力作用点的变化会引起输出灵敏度的变化，同时存在较大的非线性误差。剪切式力传感器的精度则比拉压式的高得多，具有良好的线形，并能经受较大的偏心载荷和水平侧载，消除误差。而弯曲式力传感器则主要适用于测量中等和小力值，可以取得较高的灵敏度。5. 局部刚度差原理虽然传感器结构形式多种多样，但大都遵循一定的原理局部刚度差原理。这一原理有助于我们选择合理的弹性体结构形式和电阻应变敏感元件的布置方式，提高传感器的精度、灵敏度、强度和刚度等，设计出性能优秀的电阻应变式传感器。局部刚度差原理包含两方面的含义：第一，在弹性体设计时，应使弹性体非检测部位的变形与被检测部位的变形相比是微小的，即在两者之间造成极大的刚度差，从而使变形集中在被检测部位的局部区域，在外加正向载荷作用下，弹性体被检测局部区域产生的变形最大，而弹性体总体位移是小的。第二，无论被测正向载荷通过几个力路，在每个力路中都必须同时建立起与该传感器结构原理相一致的应变场，同时在理想位置上，应变场主应力的方向是唯一确定的。3.2.2 电电阻阻应变应变片的片的结结构和分构和分类类1.电阻应变片的结构 利用导电丝的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件。为了在较小的尺寸范围内能敏感有较大的输出应变值，通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件，称为电阻应变片。电阻应变片是目前常用的电阻应变敏感元件，它主要由以下五个部分组成：图 3-2 电阻应变片的结构Fig.3-2 Structure of resistive strain gauge敏感栅 是应变片中实现应变电阻转换的敏感元件。第 三章 称 重 传 感 器 设 计14基片 为了保持敏感栅固定的形式、尺寸和位置，通常用黏结剂将它固定在纸质或胶质的基底上。引出线 起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。覆盖层 是用纸、胶做成覆盖在敏感栅上的保护层，起着防潮、防蚀、防损等作用。黏结剂 在制造应变片时，用它分别把覆盖层和敏感栅固定于基底，在使用应变片时，用它把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部位。2.电阻应变片的分类电阻应变片的种类繁多，分类方法也各异。按所选用的敏感材料可分为金属应变片和半导体应变片；按敏感栅结构可分为单轴应变片和多轴应变片；按基底材料可分为纸质应变片、胶基应变片、金属基底应变片；按制栅工艺可分为丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应变片、薄膜式应变片；按使用温度可分为低温应变片（-30以下）、常温应变片（-30+60） 、中温应变片（+60+350） 、高温应变片（+350以上） ；按安装方式可分为粘贴式应变片、焊接式应变片、喷涂式应变片、埋入式应变片；按用途可分为一般用途应变片、特殊用途应变片；按制造工艺可分为体型半导体应变片、扩散型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、n-p 元件半导体型应变片。3.2.3 电电阻阻应变应变式式传传感器的工作原理感器的工作原理电阻应变式传感器的工作原理是基于四个基本的转换环节：力（P）应变（）电阻变化（R）电压输出（U） 。此种变换又是基于电阻应变片的应变电阻效应：即金属丝的电阻是随着其所受机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化。设有一长为 、截面积为、电阻率为的导电金属丝，它的电阻由下式确定：lS 图 3-3 导体受力时参数变化示意图Fig.3-3 Parameter change schematic drawing when conductor stress （3-5）SlR当它受到轴向力而被拉伸（或压缩）时，其 、和将均发生变化，如图（3-lS3）所示。因而导体电阻=f( ,)也随之发生变化。将式（3-5）两边取对数得lS四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计15 （3-6）InSInlInInR对上式两边微分得 （3-7）SdSldldRdR式中电阻的相对变化RdR材料的轴向线应变，（为金属丝的轴向应变） ； （3-8）ldlldl截面积的相对变化。SdS因为 2rS可得 （3-9）rdrrrdrSdS222式中 金属丝半径r金属丝半径的相对变化，由线应变定义（为金属丝的径向应变）rdrrrdrr。又由材料的泊松比定律：（为泊松比） ，代入，rrrdr得出 （3-10）rdr将式（3-8） 、 （3-9） 、 （3-10）代入式（3-7） ，得 （3-11）dRdR)21 (金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间满足VdVcd因为 SlV 微分后得到 （3-12）ldlSdSVdV又因为 ldlrdrSdS2所以 （3-13）ldlSdSVdVr2)21 (2所以 （3-14）)21 ( cd代入到式（3-11）得 （3-15）msccRdR)21 ()21()21 ()21 (考虑到实际上R,故将上式取有限值， （3-16）msRR式中金属材料的灵敏度系数，。ms)21 ()21 (csm第 三章 称 重 传 感 器 设 计16由式（3-16）表明，金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。3.2.4 电电阻阻应变应变片的片的变换电变换电路路1.桥路分析在电阻应变式传感器中经常采用恒压电桥电路、恒流电桥电路及双恒流电路等将电阻应变敏感元件的电阻变化转换为电压变化信号。在此，我们仅讨论较为简单的恒压电桥电路。图中四个电阻分别为四个电阻应变片的电阻值。电桥 AC 两端接直流恒压电源，BD两端为输出端，接内阻为的放大器或检测仪表。根据克希霍夫定律可得0R012III043III同时uRIRI44330RIRIRI1100330RIRIRI220044图 3-4 恒压电桥电路Fig 3-4 Bridge circuit of constant voltage联立可得输出电流 )RR(RR)RR(RR)RR)(RR(R)RRRR(uI214343214321032410输出电压为 （3-17） )RR(RRR)RR(RRR)RR)(RR()RRRR(uRIu210434302143213241000可见，若，则，此时电桥处于平衡状态。0RRRR32410u0当电桥输出端与直流放大器相连时，由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大0R四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计17得多，为此可将电桥输出端看成开路情况，即，这种电桥称为“电压0R0I/R0输出桥” ，此时式（3-17）简化为 （3-18）)RR)(RR()RRRR(uu432132410下面仅讨论最常用的全等臂电桥。设各桥臂的初始电阻为，则电桥初始处于平衡状态，当四个RRRRR4321桥臂电阻分别为、时，由上式可得1dRR 2dRR 3dRR 4dRR )dRdR)(2RdRdR(2R)dRR)(dRR()dRR)(dRR(uu432132410将上式加以改写，得： （3-19）)RdRRdRRdRRdR(211RdRRdRRdRRdR4uu432132410由于在一个传感器中总是使用相同型号和规格的电阻应变片，因此，他们的电阻变化率与应变的关系为，11KRdR22KRdR33KRdR44KRdR代入式（3-19）可得 （3-20）)(2K41uKu432132410由于项比 1 小的多，如将其忽略，则式（3-20）简化为)(4321 （3-21）)(4uKu32410可见输出电压与应变之间就近似为线性关系。2.差动电桥原理一个性能良好的传感器，首先要有一个力学性能良好的弹性体结构，但是对同一个弹性体结构来说，可以有若干种布片组桥方式，不同的方式得到的传感器性能会有很大的差异。差动电桥原理就可以指导我们获得最佳的布片组桥方案。此原理也包含两方面的含义：其一，在电桥桥路中，电阻应变计必须对所有力路进行检测，且由正向载荷引起的应变值，在桥路输出中总是叠加的，例如最典型的做法就是使。其二，由非正向载荷引起的附加应变，作为干扰信号，3241应在正负桥臂上或是自行抵消，或是以相等值对称出现，因而避免在桥路输出中产生影响。3.电路的补偿电阻应变式传感器的输出电阻随温度而变化，由于应变片材料与试件材料热膨胀第 三章 称 重 传 感 器 设 计18系数不同，还会产生附加应变，为了提高测量精度、稳定性和其它性能，必须采用相应的补偿技术。1）初始不平衡补偿及电桥的调零在温度恒定时，传感器不承受负载，由于制造工艺上的问题，应变片的阻值不等而造成初始不平衡，可通过在相应的桥臂上串接一个经过处理的温度稳定性好的锰铜或康铜小电阻或箔式可调电阻片来使得输出基本为零，这个小电阻片就称为平衡电阻。如图 3-5 中的 Rb就是接入的补偿电阻。图 3-5 带电桥补偿的电路Fig 3-5 Circuit with equalizer of a bridge电桥接入平衡补偿电阻 Rb后，电桥的输出尚有少许不平衡，这时可采用可调电阻对桥路进行调零，图 3-6 就是直流电桥的调零电路。图 3-6 直流电桥的调节电路Fig 3-6 Adjustment electric circuit of DC bridge2）温度补偿由于应变片的电阻随温度而变化，而且由于应变片材料和试件的线膨胀系数也不同，故如果对温度变化所引起的电阻相对变化不加补偿，则应变片几乎不能应用。应变片电阻随温度变化的函数关系为四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计19 (3-22) )1 (01tRRtt式中 Rt1、Rt0分别为 t1,t0温度下的电阻值；tt1-t0为温差。因此，可求得温度从t0上升到 t1时，应变片的电阻将变化 （3-23）tRRtt01考虑材料的膨胀系数不同时，因温度变化引起的附加变形产生的电阻变化关系为 （3-24）tkRRgt)(00式中，R 是由于膨胀系数不同所产生的电阻增量；g、a分别为试件、应变片电阻丝的膨胀系数；k0为应变片的灵敏度系数。电阻应变片的温度误差可采用敏感栅热处理或采用两种温度系数的材料相互补偿的方法进行补偿，然而，用得更多的是电桥补偿法。测量桥路如图 3-4 所示，如果初始电阻 R1R2R3R4R，且 RL时，桥路的输出电压与桥臂电阻间的增量表达式为 （3-25）4433221104RRRRRRRRUU因为每一个桥臂电阻变化均是由两部分组成，即一部分为应变引起的，另一部分为温度变化引起的，所以有 （3-26）), 4 , 3 , 2 , 1(0 iRRkRRitixiii将式（3-26）代入式（3-25）可得 （3-27）44332211432100)(4RRRRRRRRkUUttttxxxx从上式可以看出：若桥臂电阻均在同一温度场，各桥臂电阻同批制造，材料规格、工艺均相同，则由温度变化引起的电阻相对变化相互抵消，实现了补偿作用。必须注意的是，要正确连接应变片，使相邻的应变片感受相反方向的应变，而由温度引起的变化要相同。3）非线性补偿引起传感器的非线性主要原因有：弹性元件本身存在的非线性，如加工、热处理过程中的残余应力、结构形式所导致的非线性等；应变片灵敏系数随弹性元件变形而变化；电桥电路的非线性，如单臂电桥，本身就是非线性的，另外加入的一些补偿电阻也会引起非线性误差。其补偿方法有采用差动形式的半桥或全桥；提高桥臂比 ，但由于以牺牲灵敏度为代价是不合算的，所以应用不广泛；采用有源电桥，如图 3-7所示。在桥路中，工作应变片 R 作为运算放大器的反馈电阻，电桥被强迫达到平衡，所以输出电压与应变片上的电压增量相等，但极性相反，而且与 R/R 是成线性的。第 三章 称 重 传 感 器 设 计20如图 2-14 所示，显然 a 点电位为 U/2， ；由于运算放大器的作用，b 点的电位也始终被强迫为 U/2，所以流过 cb 支路 R 的电流为RUI2 )(2/0RRIUU所以 （3-28）RRUU20图 3-7 有源电桥Fig 3-7 Active electric bridge由于运算放大作用，因此可作低阻输出。这种有源电桥的输出是单臂输出的两倍，而且即使 R/R 值非常大，输出依然呈线性关系。3.2.5 压压力力传传感器感器测测量量电电路路电阻应变片与测量电路结合并给予适当的电源就组成了电阻应变式传感器，可以用来测量力、载荷、扭矩、加速度等非电参数。为了准确可靠地获得测量数据，必须有一个稳定的直流供桥电压。采用集成的参考源和运算放大器可以得到稳定的供桥电压如图 3-8 所示。也可以用专门生产的传感器电源模块作为稳定的激励电压。3.3 称重传感器设计传感器是检测机构的重要部件，目前常用的有电阻应变式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器，由于电阻应变式传感器具有精度高、测量范围广、频率响应特征好、结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉并且可在恶劣环境条件下正常工作等特点，设计中按照稳定性、精度、灵敏度、寿命等进行考虑，在试验中选用电阻应变式油压传感器。查阅相关资料 ZL50CX 装载机系统油压为 20Mpa，最大举重 8 吨，以及考虑系统的油温和防油污染的影响，适合选用 20Mpa,温度为 0100防油的油压传感器。在此我们选用由成都科学仪器厂生产的 BPR-4 电阻应变式传感器。在本论文中，主要完成对 BPR-4 电阻应变片式传感器的力学设计，根据需要设计出符合要求的四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计21BPR-4 传感器的几何参数。3.3.1 概述概述BPR-4 电阻应变式压力传感器是一种用来感受系统被测压力并转换成与压力成一定关系的电信号输出的转化器，可与巡检、控制系统以及显示仪表、电子计算机等配套使用，可对系统的静态压力参数作自动化测量和控制。主要技术指标：1.测量上限值：0.2；0.3；0.5；1；2；3；4kgf/2cm2.精度指标%FSBPR4-3BPR4-3BPR4-5BPR4-5线性误差 0.20 0.30滞后误差 0.15 0.20重复性 0.10 0.103.温度影响：零点温度影响0.02%FS，输出温度影响0.02%FS1C1C4.零点漂移：0.1% FS/2 小时5.输出灵敏度：2mv/v；1.5mv/v6.桥路阻抗：3507.供桥电压15v8.初始不平衡输出：2% FS9.超载能力：120%额定电压10.环境工作温度：-10+60，相对湿度85%11.灵敏度：0.1 FS12.测量对象：静态非腐蚀性的流体压力3.3.2 基本原理及基本原理及结结构构计计算算基本原理方框图如下：被测压力通过压力转换元件转换为集中力，作用于应变敏感元件应变梁上，应变梁变形，随之粘贴在应变梁的应变片电阻产生变化，电桥电路即输出一个与压力成一定关系的电信号。压力输入P集中力F电阻应变效应234U应变敏感元件压力转换元件U电信号输出第 三章 称 重 传 感 器 设 计221.压力转换元件1）选择波纹管作为压力转换元件，对其要求为：a.具有足够大小的有效面积；b.有效面积稳定；c.具有良好的线性、滞后特性，高疲劳极限；d.在满足耐压条件下，选择尽量小的刚度。图 3-8 电阻应变式油压传感器结构示意图Fig 3-8 Structural sketch map about strain gauge type transducer of oil press2）波纹管转换集中力的计算有SPF式中：P被测系统的压力 2/cmkgf 波纹管的有效面积有S2cm 转换成集中力值 Fkg2.应变敏感元件应变梁的分析计算1)简化力学模型图中：被测压力转换为对梁的集中力；F波纹管对应变梁的反作用力；1F,基体对梁的反力及反力矩1x2x3x由图（2）可知,简化后的力学模型仍属于一次超静定系统；AB 梁承受一个拉力和一个弯矩，在其作用下产生弯曲和拉伸变形。2)桥路选择及梁应变值的确定根据 AB 梁的受力性质，选择两面各粘贴两片应变片，即使 R1，R4 与 R2，R3 分别感受BF1 FCX1X2X3Q图 M图 AABCABCFF1 F1 C可分解为 BACR1 R4R2R3应变片 应变敏感元件 （应变梁） 压力转换元件 （波纹管） 绝缘层 图（1）图（2）四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计23极性相反的应变，并构成全桥，这样可以提高输出灵敏度，同时还消除拉力所引起的拉伸变形对应变指示数的影响，只反映在弯曲下的变形。如图示：由惠斯顿电桥计算得：4321/3241/）（）（RRRRRRRRUU当 R1=R2=R3=R4=R （R 为各臂应变片阻值） （为各臂电阻变化值）时，RRRRR4321R得 RRUU/又由电阻应变效应：kRR/式中 应变片灵敏系数k 每一应变片感受的应变量kUU /由设计要求： 2mv/v UU /当选用卡码系应变片 k= 2可确保梁应变 331012/102/kUU 2110101 . 234E设2kg/mm可选择合金结构钢 30CrMnSiA 或 35CrMnSiA（低测量上限值时选用合金铝板LY12）作为应变梁的材料。3)应变梁几何参数的设计a.根据实际要求确定应变梁的各部分几何尺寸先确定 ,仅留下 AB 梁的厚度 h 作为待定，其中,0, blLJ1梁 AB 段的轴惯矩J2梁 BC 的轴惯矩b.根据莫尔定理，用莫尔积分法求出 C 点的位移c1图（3） 图（4）)3/() 1(/23120111EJLEJlLFFEJdxMMFFcc.根据变形条件列补充方程求出)3/() 1(23122121EJLEJlLFFkkFc式中 波纹管的刚度c1解出 3)3(/)3(2131222312221JEJLJlJLkLJlJLkFFd.求 AB 梁的应变：M F-F1CF-F1(F-F1)L BCM 10LCJ2hlLBJ1b0A第 三章 称 重 传 感 器 设 计24AB 梁所受的弯矩： LFFMFF)(11AB 梁产生的弯曲应力： 112/ JhMFFyAB 梁产生的弯曲应变：6)2/6/(32/)(/222302032211lJLkhbEJbLkhPSLJEJhLFFEyy式中 P被测压力 ，波纹管的参数S2k已知 ， ，应变梁已确定的几何参数L0bl1J2J 设计所要求的已确定的参数为y310故仅留下 h 为待定量，即构成 p-h 函数03)2/6/(2222302032lJLlkbhPSLJhbEJbLky按照 P=0.1；0.2；0.342/cmkgf解出对应的 h（舍去负根）本设计中根据已知参数可由综合前式得 图（5）03627. 0511. 43Phh即可求得 h 值。e.平面应力修正.AB 梁部分的梁长与梁宽之比略大于 1，故 AB 梁部分不是梁而是一薄板。应按薄板理论进行平面应力修正，以满足工程设计。由广义胡克定律知：EEzxyy/ )(/EEzyxx/ )(/EEyxzz/ )(/应变片所能感受应变为：仪EEEzxyxy/2/)1 (/)1 (仪 0z Eyx/ )(1 (仪而实际应力分布是不同于梁的，故上面最初按梁来计算即要带来设计误差，使传感器的实际输出灵敏度达不到设计要求，故应作平面应力修正，令 y仪由实验计算得=0.87 y87. 0仪将其代入上式化简后得： 03627. 0925. 33phh最终得到满足输入灵敏度为 2mv/v 时所对应得 p-h.yxxy四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计25第四章 电源电路传感器电桥、放大器以及各种芯片都需要稳定的直流电源电压供电。同时，模拟电路和数字显示电路部分由于取用功率不同，并且为了避免干扰，因此需要分别提供不同的电源。部分电子设备需要正负两组电压电源供电，所以也需要设计满足其需要的正负电源。装载机电源为两组 12V 电池串联组成 24V 电源，在马达起动后，有发电机向蓄电池充电。此时电压波动较大，为使仪器正常工作必须采用特殊稳压措施。4.1 基本稳压电路直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。如图 4-1 所示。图 4-1 直流稳压电源Fig 4-1 D.C. stabilized source稳压电路的作用是当电网电压波动、温度负载变化时，维持稳定直流电压的输出。随着集成工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。它主要由基准电压电路、比较放大器、取样电路和调整电路等几个部分组成。其有很多的优点，主要有：集成稳压器的稳压控制环路增益高（可用多级以恒流源为负载的差分电路作比较放大器） ，提高了稳压性能；可实现零温度系数的基准电压，保证了输出电压的稳定性；内设优良的保护电路，具有灵敏、可靠的保护功能，大大地降低了电源故障率；体积小、重量轻，外围元器件少，调整简单，有利于电子设备的小型化、轻量化和精密化；集成稳压器可简化开关电源的稳压控制电路，有利于充分发挥开关电源的优良特性。变压器交流整流电路滤波电路+稳压电路直流输出稳压器第 四章 电 源 电 路26稳压电路可采用的集成稳压器有很多种，一般有多端可调试（正、负压）集成稳压器，三端固定式（正、负压）集成稳压器，三端可调式（正、负压）集成稳压器，跟踪式（正、负压）输出稳压器，开关式集成稳压器等几类。本设计采用三端固定式（正、负压）集成稳压器，它有正输出电压与负输出电压之分，额定输出电压有5V到24V，最大额定电流有 100到 10A 等各种。mA集成稳压器电路如图 4-2(a)、(b) 所示，图 4-2(a)正电压输出稳压电路，图 4-2(b)负电压输出稳压电路。它们的基本原理相同。三端固定式（正、负压）集成稳压器极大地简化了电源的设计和使用，并具有较完善的过流、过压和过热保护电路，能以最简单方式接入电路，已成为世界通用系列，是目前用途最广的集成稳压器。正集成稳压器输入输出（a）（b）输入负集成稳压器输出图 4-2 集成稳压电路Fig 4-2 Integrated voltage stabilizing circuit由于滤波电容与集成稳压器接线较长，易产生振荡，因此对于图 4-2(a)、(b)所示电路的输入端，即电源侧要接入防振电容，使其工作稳定，这种电容要用频率特性好的陶瓷或钽电容。另外，为了改善从负载看电源的过渡特性，也要在输出侧，即负载侧接入电容，它采用频率特性较好的电容。应注意的是在负载电流最大时，为保证稳压器输入电压比输出电压高 23V 以上，电源变压器与滤波电容值要留有足够余量。对于大电流稳压器要注意缩短连接线和加接足够大的散热器。另外，为防止输入端短路，以及输出端的电容放大而使稳压器晶体管击穿，要在输入与输出端之间接一个保护二极管。4.2 集成稳压元器件的选择三端固定集成稳压器包含 CW78XX 和 CW79XX 两大系列，CW78XX 系列是三端固定正输出稳压器，CW79XX 系列是三端固定负输出稳压器。它们的最大特点是稳压性能良好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉，现已成为集成稳压器的主流产品。CW78XX系列按输出电压分有 5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 等品种；按输出电流大小分有0.1A、0.5A、1.5A、3A、5A、10A 等产品；具体型号及电流大小见表 4-1。例如型号为四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计277805 的三端集成稳压器，表示输出电压为 5V，输出电流可达 1.5A。注意所标注的输出电流是要求稳压器在加入足够大的散热器条件下得到的。同理 79XX 系列的三端稳压器也有-5V-24V 七种输出电压，输出电流有 0.1A、0.5A、1.5A 三种规格，具体型号见表 4-2。表 4-1 CW78XX 系列稳压器规格Table 4-1 A series of CW78XX型 号输出电流(A)输出电压(V)78L00 0.15、6、9、12、15、18、2478M000.55、6、9、12、15、18、2478001.55、6、9、12、15、18、24表 4-2 CW79XX 系列稳压器规格Table 4-2 A series of CW79XX型 号输出电流(A)输出电压(V)79L000.1-5、-6、-9、-12、-15、-18、-2479M000.5-5、-6、-9、-12、-15、-18、-2479001.5-5、-6、-9、-12、-15、-18、-24CW78XX 型的集成稳压电源的基本电路如图 4-3 所示。图中，Ui 是整流滤波以后的未经稳压的输入电压；U0 是稳压电源的输出电压。CW78XX 的输入电容器 Ci 一般情况下可不接，但当集成稳压器远离整流滤波电路时，应接入一个 0.33uF 的电容器。其作用是改善纹波和抑制输入的过电压，保证 CW78XX 的输入-输出电压差不会瞬间超过允许值。CW78XX 的输出电容器 C0 一般不采用大容量的电解电容器，只要接入 0.1uF 的电容器便可改善负载的瞬态响应。但是，为了减小输出纹波电压，有时在 CW78XX 的输出端并入一只大容量电解电容器会取得良好的效果。然而，随之产生一种弊端，即一旦CW78XX 的输入端出现短路时，输出端上的大电容器上存储的电荷，将通过集成稳压器内部电路的输出调整管的发射极。为了防止这一点，可在 CW78XX 的输入-输出端之间第 四章 电 源 电 路28跨接一个二极管，这个二极管为电容器 C0 上的电荷提供了放泄通路，对集成稳压起到了分流作用。图 4-3 CW78XX 型的集成稳压电源的基本电路Fig 4-3 Circuit of integrated stabilized source of CW78XXCW79XX 系列的稳压器与 CW78XX 系列的稳压器相比，虽然内部电路不同，但在外界电路的应用上是相同的。两系列的不同之处是前者为负输出电压，后者为正输出电压，且引脚排列也与 CW78XX 不同，CW79XX 是以外壳作负压输入端。因此，CW79XX 不允许外壳接地，否则将导致电源短路。CW79XX 型的集成稳压电源的基本电路如图 4-5 所示。图 4-4 CW79XX 型的集成稳压电源的基本电路Fig 4-4 Circuit of integrated stabilized source of CW79XX4.3 稳压电路的设计在稳压电路的设计中，如果要求电路能够有正、负输出电压，那么在设计稳压电路的时候我们就需要采用 CW78XX 系列和 CW79XX 系列合并使用。如图 4-7 所示：图 4-8 是第一级采用 24V 输出的稳压器 7824，第二级再采用其他稳压器（78057818）电路。因 7824 可以承受比 78057818 高的瞬时输入电压。CW79XX 系列负电压输四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计29出稳压器也有类似的电路。通过以上的分析，我们设计出了各部分的电源电路，具体电路图见附图。图 4-7 正、负输出电压集成稳压电源电路Fig 4-7 Positive and negative output voltage is produced by circuit of integrated stabilized source图 4-8 采用稳压器降压法的电路Fig 4-8 The electric circuit use manostat reduce voltage method 说明：（1）放大器电源的稳压直接影响放大倍数的稳定，为了保证放大器的稳定性和精度，设计采用了 7818 和 7812 两片三端稳压块串联相接，输入 24V，输出确保 12V 电压的稳定，供放大器和传感器使用。（2）单片机电源 5V 由另一组 12V 蓄电池供电，经两个正向串联的稳压管降压供 7805三端稳压块。第五章 传 感 器 信 号 放 大 电 路30第五章 传感器信号放大电路传感器所感知、检测、转换和传递的信息表现形式为不同的电信号。传感器输出电信号的参量形式可分为电压输出、电流输出和频率输出。其中以电压输出型为最多，在电流输出和频率输出传感器当中，除了少数直接利用其电流或频率输出信号外，大多数是分别配以电流-电压变换器或频率-电压变换器，从而将它们转换成电压输出型传感器。在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，温度特性及线性度较差，而且经过远距离传输后信号衰减很快噪声也明显增大。因此必须做信号调理，才便于后级进行处理。目前，传感器信号调理器正向单片集成化、高精度、多功能、自动补偿和自动校准的方向发展。集成化传感器信号调理电路的种类繁多，大致可以分为两类：一类是传感器信号调理器，另一类为传感器信号处理系统（亦称传感器信号处理器） 。前者内部大多有A/D 转换器、温度补偿及自动校准电路，输出为模拟量或数字量；而后者则在芯片中集成了微处理器或数字信号处理器，并且带串行总线接口，更配合微机使用，其性能比传感器信号调理器更先进，使用也更灵活。5.1 前置放大器与传感器的配接特点前置放大器与前述电阻应变式传感器配接时有以下特点：1.电阻应变式传感器作为一次仪表输出的信号都很微弱，一般最大也只有 20mV 左右，而传感器与二次仪表又有一定的距离，这样除要进行小信号长距离传输外，还会受到周围环境的干扰和噪声而产生测试误差，这是现代测试系统中，实现对数据采集的最大困难之一，因而要求线性放大器作为直流放大器时，要有高的共膜抑制比和信噪比。2.传感器或测量用的电阻应变计等信号源内阻是一个变量，所以在微弱信号测量时线性放大器应有较高的输入阻抗，动态范围要宽。3.有时为了满足闭环增益，反馈电阻 R 应取的很大，但 R 阻值越高，越容易受环境变化的影响，同时线性放大器的输入电流要在 R 上所产生的压降将成为放大器漂移的主要原因。4.因为传感器工作环境一般较为恶劣，因而要求线性放大器性能稳定可靠，高的增益，高的信噪比，高精度，低漂移。四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计315.理想集成运算放大器的开环放大倍数、输入阻抗、共膜抑制比、带宽等均为无穷大，而实际上却是有限值。理想运放的输入偏置电流、失调电压和失调电流及温漂、输出阻抗、噪声等均为零，而实际上不可能正真为零，这些都会引起误差。6.电阻的实际值与标称值相比有误差，且随温度变化，这就会影响精度和稳定性。7.选择优质元件构成同向或反向放大电路，虽然可以有较高的精度，但这不能满足我们的测量要求，因为应变电桥需要把桥路的双端输出差模小信号放大并转换成单端输出信号，这样对提高精度就更困难。5.2 差动放大器的基本原理为了适应线性放大器恶劣的工作环境，提高精度和稳定性，减小误差，在本次设计中采用了差动输入放大电路。差动比例放大器的输出电压与输入电压之差成比例。它可由一只集成运放组成，也可以由三只或两只集成运放组成。5.2.1分析推分析推导输导输出与出与输输入基本关系的依据入基本关系的依据图 5-1 运放表示符Fig 5-1 Sign of operational amplifier circuit如图 5-1，当放大器的输出电压 U0不超过规定的最大输出电压值时，输出电压与输入端之间的电压具有线性关系，即 (5-1)(00UUAU式中，-同相输入端相对于电路零点的电压；U-反相输入端相对于电路零点的电压；U-运算放大器开环放大倍数。0A由于开环放大倍数很大，输出电压是一个有限值，故两输入端之间的电压近似0U为零，两输入端对电路零点的电压近似相等，即： （5-2）00OAUUU由于运算放大器的输入阻抗很大，因此可以认为同相输入端和反向输入端的输入偏第五章 传 感 器 信 号 放 大 电 路32置电流近似为零，即： （5-3）0, 0ii式（5-2）和式（ 5-3）两个近似关系成为我们分析差动输入放大电路的工作原理和推导输入输出基本关系的依据。5.2.2 差差动动输输入入放放大大电电路路闭闭环环放放大大倍倍数数的的计计算算图 5-2 简单运放电路Fig 5-2 Simple operational amplifier circuit图 5-2 为两个输入电压和同时加在两个输入端的双端输入电路。根据式1 iU2iU（5-2）和式（ 5-3）可得： FiFRRUUii101132232RRUiii11011111RRRUUURiUUFiii3222222RRRUURiUUFiii将后面两式代入中，并整理可得输出电压为UU112132310)()(iFiFURRURRRRRRU为了输入电路的对称性，此处取或，则上式简化为321,RRRRF123RRRRF （5-4）)(1210iiFUURRU1i1i20fRRUUUAF由此可见，如果运算放大器的开环电压放大倍数很大，又具有很强的负反馈，就使得放大器的闭环电压放大倍数变得只取决于外接电阻，而不受放大器本身参数四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计33的影响。若要使输出端具有所要求的电压，只要改变输入电阻和反馈电阻1R的比值即可。FR5.3 差动输入比例放大器的误差分析由于放大器的性能对整个仪器的精度有很大的影响，因此，要对放大器组成的放大电路进行误差分析。实际比例运放电路输出电压的实际值与按理想情况计算所得0U的输出电压的理想值之间总是存在误差：0U|000UUU在工程实际中常用相对误差表示，即：%100|000UUU放大电路的误差来源主要有两个方面，一个方面是元件性能不理想，另一个方面是放大电路的工作条件不理想。在低频状态下，主要考虑网络电阻、差模放大倍数、运算开环输入阻抗、共模抑制比、运放输入偏置电流、输入失调电压、失调电流及温漂的影响。1、网络电阻引起的误差。电阻实际值与标称值相比存在误差，而实际的大小随温度升高而增加，这样就使放大电路产生误差。2、共模抑制比 COMR 有限引起误差。在反相输入的情况下，两输入端不出现共模信号，因此 COMR 对放大器的工作没有什么影响。但在同相或差动输入的情况下，在两输入端将会出现共模信号，从而引起误差，为了减小误差，应采用共模抑制比大的集成运放。另外，差模信号的相对大小对误差也有明显的影响。3、差模放大倍数与开环输入阻抗影响。和在实际工作中均为有限值，odAidRodAidR在设计时将它们均理想化，即为无穷大。因此会产生误差。4、输入偏置电流，输入失调电压，输入失调电流及温漂对误差都有影响。iBIioUioI通过以上分析，可得如下的结论：1）为减小误差，应进行调零。2）输入信号的幅值越大，相对误差的绝对值就越小。3）为了提高稳定性和精度，应选择和小的集成运放，电阻dtdUi0dtdUi0应取得适当小一些，并应尽量提高运放电源的稳定性，同时尽量减小温度FRRR和21,的变化对提高放大电路的稳定性和精度也是很重要的。5.4 实际放大电路的设计5.4.1 信号放大器的信号放大器的选择选择随着集成运算放大器的性能不断完善和价格下降，传感器的信号放大越来越多地第五章 传 感 器 信 号 放 大 电 路34采用集成运算放大器。集成运算放大器是一种具有高增益的多级放大器,能够放大直流至一定范围的交流电压。早期的运算放大器主要用于模拟计算机中。运算放大器能够实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，所以叫做运算放大器。运算放大器是把传感器输出的毫伏级信号转换为伏级信号的主要部件，一般放大器输入信号在015mV，输出信号电压 05V，这就是说要求运放具有 200500 的电压放大倍数，这里我们使用了国产第四代运放 CF7650（相当于国外同型号的 ICL7650）芯片，该芯片具有低的输入失调电压，较低的输入偏值电流，极高的电压增益和电压抑制比，单电压 318V,电流 24mA，输入电压范围较宽。本设计采用上海无线电五厂生产的 CF7650 集成运放，原型号为 5G7650。CF7650 是第四代集成运放，是现行性能很优越的集成运放，内部设有时钟、误差检测校零电路，从而实现自校零。在的工作范围，失调电压温度漂移在25C80，故每月漂移低于，且由于输入电阻很高，则输入电流很小，典型值CV/001. 0V1，而开环电压增益很高，典型值 140dB，共模抑制比高于 130dB。A1010图 5-3 CF7650 双列直插封装图Fig 5-3 The picture of CF7650CA、CB 外接电容端，以使内部有时钟产生CRETN 外接电容公共端IN- 反相输入端IN+ 同相输入端OUT 输出端CLAMP OUT 输出复位端INT/EXT 时钟控制端，当使用内部时钟时，此端开路成接，当使用外部时钟V时，此端接，并在 13 脚加入外部时钟信号。VCLK IN：外部时钟输入CLK OUT 时钟输出端，用来观察时钟信号或利用时钟控制其它电路OOO四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计35V+ 正端电源V - 负端电源CF7650 型运算放大器主要性能指标如下：电源电压极限：V5 . 7共模输入电压范围：（）V3 . 06 . 0V时钟频率：200300Hz开环电压放大倍数：倍kRL106105共模抑制比：130dB输入电阻：1210单位增益带宽：2.0MHz电源电流：2.0mAkRL105.4.2 集集成成运运算算放放大大器器的的应应用用及及主主要要特特性性参参数数近些年来集成运放的发展，使之完全成为模拟系统中的一个基本的有源器件，其应用范围早已远远超过实现各种模拟运算功能。在现代电子线路设计中，各种信号放大电路、信号处理电路、信号产生电路等等，均可由集成运放来构成。1.开环电压放大倍数 Ad它定义为运算放大器在没有任何外部反馈情况下的差摸直流电压放大倍数。即它是在放大器开环情况下（实际上就是指运算放大器本身的） ，输出电压与输入差动电压的比值。 如图 5-4 所示，其中 U-表示为加到反相端的输入电压， U+表示为加到同相端的输入电压，则有：Ad =UiUo图 5-4 开环电压放大倍数 Ad 的定义Fig 5-4 The defining of Ad with pen-loop voltage amplification multiple Ad 反映了对输入到运算放大器两输入端信号差值的放大能力。一般希望Ad值越大越好， Ad通常指的是直流放大倍数，实际上，运算放大器在交流信号输入情况下，其交流放大倍数是随输入信号频率的不同而不同的（这不仅在幅值上，而且在相位上也是如此），因此其交流放大倍数是频率的函数。即使这样，由于运第五章 传 感 器 信 号 放 大 电 路36算放大器的频率有一定的宽度，在低频交流信号输入时，运算放大器的交流放大倍数和其直流放大倍数基本一样。所以，为了克服运算放大器失调带来的测量误差，Ad值的测量实际上是在输入低频（ 100400Hz）交流信号下进行的。如用对数表示就称为开环电压增益 GOL ,即 GOL = 20lgAd2.输入失调电压 Uos及温度漂移 Uos/T运算放大器两输入端接地，并把调零端子短路时，由于制造上的不对称，总有一定的电压输出，称为失调电压UOFF ，把它向放大器的输入端折算，即除以差动放大倍数 Ad ，就称为输入失调电压，有Uos =UOFF/ Ad 。要注意的几点是，首先 Uos定义（或测试）的条件，为了排除运算放大器的共模影响，只将两输入端短路是不够的，还必须把它们接地。同时，为了排除外界因素的影响，只考虑放大器本身电路不对称造成的失调，所以必须把调零端子短路。3.输入偏置电流 Ib+和 Ib-为了保证运算放大器差动输入级电路的正常工作，要给两晶体管有一定的偏置电流。指输入信号为零时，同相、反相输入端的静态基极偏置电流。它们的大小取决于输入级晶体管的电流放大系数。选择运算放大器时，应使其输入偏置电流值越小越好。如果在温度和电源电压等不变的条件下，尽管引起的误差可通过调零的方法消除，但这些参数本身并不是不变的，而是随温度和电源电压等条件变化而变化的，难以用调零来消除。因此，要从集成运放的失调电压和失调电流的温度系数考虑。通过前面的分析，可以得出提高放大电路精度和可靠性的措施：第一 合理选择合理器件。构成比例放大电路的元器件主要是集成运放和电阻、电容，他们的种类型号较多，误差分析说明：若元器件质量太差，即使电路结构设计较优、工艺先进，也不能满足要求。因此，要在保证性能要求的前提下，尽量选择体积小，安装调试方便，价格合理、性能稳定的器件。第二 应精心进行电路结构设计和工艺设计。应综合考虑电路的各项性能指标来确定元器件的参数，充分发挥其性能，并设法弥补某些不足，要制作一个实用可靠的精密放大器，必须重视安装调试工艺。事件证明，即使元器件和电路设计都很合理，但由于工艺设计和布线不合理，焊接质量不高，接插件接触不良，工作环境太恶劣等原因，使电子设备仍然达不到设计指标，甚至报废。第三 抑制干扰和噪声。抗干扰能力和信噪比是放大电路的性能指标之一，放大电路的输入信号越弱，干扰和噪声的影响越大，严重时会使放大电路无法正常工四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计37作。因此，在解决了精密放大电路的设计和元器件的选择后，还必须解决抑制干扰和噪声的问题，具体措施如下：（1） 尽量避开高压电网、电焊机、电力变压器、电机、交流接触器、晶闸管等干扰源。（2） 对于以电场或磁场形式进入的干扰，可将放大电路装在金属罩里并将其接地，利用屏蔽使之削弱，与外部的连线采用金属屏蔽电缆。（3） 对于通过输入线或电源进入的干扰，加滤波可有效的削弱。一般电阻应变式载荷传感器所检测的信号是缓慢变化的，对此要在放大电路的负反馈电阻两端并联电容来虑波。（4） 为了减少噪声干扰，仍然要从元器件选择做起，应尽量选用噪声小的运放和电阻。应该注意，电阻越大，它产生的噪声也越大，因此应避免使用高阻值的电阻，为了减小噪声，最好选用线绕电阻。第四 一个系统的精度和可靠性，取决于系统内的每一部分的精度和可靠性，而每一部分都只有建立在结构简单、元器件性能稳定可靠的基础上才能保证有足够的可靠性和稳定性。如果结构复杂，所采用的器件多，那么误差和噪声干扰的环节就多，精度和可靠性差。但电路结构太简单，则实现的功能有限，精度也有所下降，因此必须在选用元器件、电路结构设计和工艺成本等方面综合考虑找到一个最佳的结合点。应合理选择元器件。构成比例放大电路的元器件主要是集成运放和电阻、电容，他们的种类型号较多，误差分析说明，若元器件质量太差，则即使电路先进，工艺讲究，也不能满足要求。因此，要在保证性能要求的前提下，尽量选择体积小，安装调试方便，价格合适，货源充足的器件。5.4.3 电路结构在本设计中我选用了经典的三运放组成的测量放大器电路结构。如图5-5 示。电路中为平衡对称结构。这种结构，可使两只放大器共模增益，失调及漂21AA 、移产生的误差电压且有互相抵消的作用，其优点是不需要精密匹配电阻，而且能差动输入、其共模抑制比很高。差动输入端和分别是两个运算放大器（）的同相输入端，因此输入阻1V2V21AA 、抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。实际上是一个差动跟随器，其增益近似为1，测量放大3A器的放大倍数由下式确定：12odVVVA0第五章 传 感 器 信 号 放 大 电 路38)RRR1 (RRAw12odf2f1一般都取 、 11RR 22RR f2f1RR21RR 图 5-5 测量放大器原理图Fig 5-5 Survey amplifier schematic diagram这种电路的突出特点是，差模信号在组成的前级电路获得21AA 、的增益，而共模信号仅有 1 倍的增益。因此，前级将差模信号与共模wf11R2R1K信号之比提高了倍。即使后级运放的 CMMR 只有，电阻的匹配精度只有wf1R2R3A4100.9%左右，而整个电路的共模抑制比仍然可以达到，基本上满足了要求。610只要运放性能对称（主要输入阻抗和电压增益对称） ，其漂移将大大21AA 、减小，具有高输入阻抗和高共模抑制比，对微小的差模电压很敏感，并适用于测量远距离传输过来的信号，因而十分适宜与微小信号输出的传感器配合使用。是用来调整放大倍数的外接电阻，最好用多圈电位器。wR四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计39第六章 A/D 转换电路传感器将非电物理量转换成电量，电量再经放大电路输出。因输出的信号往往为模拟量，必须经过处理转换为数字量才能显示、计算等。这种实现模拟量到数字量转换的电路称为 A/D 转化电路。A/D 转换器是智能仪表和微型计算机控制系统的基本部件，它直接关系到测量的准确度、分辨率和速度，关系到控制系统的精确程度。6.1 A/D 转换电路的选择A/D 转换包括采样、量化、编码三个阶段，其分类方法很多，按转换方式来分，可分为直接法和间接法两种。实际应用中一般选用逐次比较型和双积分型，前者属于直接法，后者属于间接法。比较而言，双积分型具有电路简单，价格低廉，线性好，精度高，稳定性好，抗干扰（特别是噪声）能力强，交换时间长（一般在几微秒至几百微秒之间） 。因此本设计选用双积分型 A/D 转换电路，具体芯片型号选用 ICL7135（4位双积分，精度相当于十四位二进制数） 。216.1.1 A/D 转换电转换电路的主要参数路的主要参数选择 A/D 转换电路时，要考虑到以下几点：1.输入通道数 在需要测定多个信号的场合， A/D 转换电路通常利用多路开关来转换输入通道。一个多路转换器可多达16 个通道。2.输入电压范围 A/D 转换器自身的输入电压范围一般在05V，010V，-55V,-1010V 之间，因此，当电压超出上述各个范围时，应附加衰减器或放大器。3.转换时间 A/D 转换需要一定时间，因此，对能处理的模拟信号频率范围和在一定时间中可转换的信号数有限制。4.转换方式 A/D 转换方式有很多种，其转换精度、速度（转换时间）等特征各异。5.分辨率 用二进制信息单位来表示输入的模拟信号，若用8 位，分辨率为全量程的 1/256，12 位为 1/4096；分辨率以下的值不能表示出，称为量子误差。6.非线性精度 构成 A/D 转换器的电路元件的精度、温度系数和漂移等因素会产生误差，使输入输出偏离直线关系，用非线性精度来表示。7.数字-接口方式 根据是并行输出还是串行输出，是否是输出数据锁定内藏型，是否是 I/O 地址上分配存储单元以及是否使用存储器寻址等不同情况进行设计。第七章 单 片 机 系 统406.1.2 双双积积分分 A/D 转换电转换电路的工作原理路的工作原理双积分型 A/D 转换电路是基于间接测量原理，将被测电压值转换成时间常数，由测量时间常数得到未知电压值的，其原理如图4-1 所示。它由电子开关、积分器、比较器、计数器、逻辑控制门等部件组成。其工作过程有两个阶段：1.采样阶段控制电路将电子开关与模拟输入电压U 接通，积分器对 U 进行积分，同时ii使时钟脉冲记数门打开。计数器记数，经过一段时间T 后，计数器达到满限量1N 值，计数器清零，发出溢出脉冲，它使控制逻辑发信号将电子开关接向与U1极性相反的参考电压 U ，采样结束。对应于图 6-1（b）上升直线阶段。iR(a)图 6-1 双积分型 A/D 转换电路原理图Fig 6-1 Double integral A/D converter circuit schematic diagram2.测量阶段（b）N2N1UrUi输出oxUT2T1ttt四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计41当电子开关接向 U 后，积分器反向积分，同时记数又从零开始，当积分器R至零时，零位比较器动作，发出关门信号，记数停止，并记忆，然后可经译码后显示，或直接送出，对应于图 6-1（b）下降图线。从上述过程可见， N 取决于 U，U取决于 U ，故 N 取决于 U ，关系式为：2oxoxi2i采样阶段： U=-ox101TidtURC而 U 在 T 期间的平均值为： U=i1iav1011TidtUT因此，有： U=-oxiavURCT1一般，Ui与 UR符号相反，因此，有： vioxURCTUa1测量阶段： =02011TRiavdtURCURCT T =2iavURUT /1 1212T/TN/N =2NR1iavUNU最终结果表明：计数器输出的数字量正比于模拟输入电压的平均值。6.2 A/D 转换芯片的选择在选用 A/D 芯片时，除满足使用要求的各项技术指标外，还必须掌握数字输出的方式和对启动信号的要求。本设计要求输出位数码显示，故选用 ICL7135 芯片，它是美国 Intersil214公司生产的高精度位、通用型 CMOS 双积分型 A/D 转换器,提供20000 的计214数分辨率 ,是目前国内市场上广泛流行的单片集成4 位半双积分 A/D 转换器。具有双极性高阻抗差动输入、自动调零、自动极性输出和超量程判别等功能，其输出是动态分时的 BCD 码，而且提供控制转换端和状态输出端，方便与微处理器或驱动芯片连接。6.2.1 四位半双四位半双积积分型分型 A/D 转换转换器器 ICL7135ICL7135 双积分型 A/D 转换器是在单极性参考电压（）供给之下，VVREF1对双极性输入的模拟电压进行A/D 转换，并输出自动极性判别信号。它具有以下特点：（1）最大显示值为 19999，最小分辨力为 100。V第七章 单 片 机 系 统42（2）采用供电，工作电流为 3mA。V5（3）只要求单一外接基准电压（4）能够自校零，保证时读数为零。有适用于自动转换量程的超量VVIN0程和欠量程信号，能够闪烁显示方式表示超量程状态。图 6-2 ICL7135 引脚分布图Fig 6-2 The picture of ICL7135（5）典型时钟频率，转换速度为 3 次/sKHzF2000（6）输入阻抗大于，输入电流典型值为M1000pA1（7）允许差分输入（8）零读数最大漂移为CV/2ICL7135 各引脚功能简介如下：V- 负电源输入端，电压为 -3V-8V；VREF 基准电源输入端，基准电压为1V，它的精度和稳定性将直接影响转换精度；ANALOG COMMON 模拟地；DIGITAL GND 数字地；INTOUT 积分器输出端；AZIN 调零输入端；BUFFOUT 缓冲放大器输出端；REFCAP- 及 REFCAP 外接基准电容 CREF；INLO 信号输入端（低端）；INHO 信号输入端（高端）；V 正电源输入端，通常为 5V；四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计43CLK 时钟输入端，工作于双极性情况，时钟最高频率为125KHz，这时转换速度为 3 次/s 左右；如果输入信号为单极性的，则时钟频率可增加到1MHz，这时转换速度为 25 次/s 左右；BUSY 积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分） ，BUSY 输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平；POL 极性输出端，当输入信号为正时， POL 输出为高电平；输入信号为负时，POL 输出为低电平；OVERRANGE 过量程标志输出端，当输入信号超过转换器计数范围时，OVERRANGE 输出高电平；UNDERRANGE 欠量程标志输出端，当输入信号读数小于量程的9或更小时，该端输出高电平；STROBE 数据输出选通脉冲，宽度为时钟宽度的1/2，一次 A/D 转换结束后，该端输出 5 个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD 码数据输出，可由信号把数据打入到并行接口中，供CPU 读取；启动 A/D 转换控制端，该端接高电平时， ICL7135 为自动连续HOLDRUN /转换；该端接低电平时，转换结束后保持转换结果；输入一个正脉冲后，启动ICL7135 开始另一种转换；B1、B2、B4、B8 BCD 码数据转换线；D1、D2、D3、D4、D5 BCD 码数据位驱动信号输出端，分别选通万、千、百、十、个位。6.2.2 ICL7135 的的输输出出时时序序ICL7135 输出时序图如图 6-3 所示。第七章 单 片 机 系 统44图 6-4 ICL7135 时序图Fig 6-4 Connection diagram of ICL7135 works in time6.2.3 积积分分电电阻、阻、电电容的参数容的参数选择选择积分电阻 RI的阻值由输入电压的满刻度值和对积分器的充电电流I2来决定的。选择 I220A，由于 UF2.000V，则有kIURFI1001020000. 232积分电容 CI由积分输出电压波动和积分电流大小等因素确定，通常选CI0.10.47F。自动调零电容 C和基准电压电容 C 宜取大一些，以减小干扰或寄生电容的影响，一般模拟信号的输入端接电阻滤波电容，可按照R100k，C0.1F 来选取。如图 6-4 所示，ICL7135 与放大器接口为管脚 9 和 10。6.2.4 内部内部结结构及构及转换转换原理原理ICL7135 芯片采用双积分型 A/D 转换电路，内部也分为模拟电路和逻辑电路两大部分。模拟电路由缓冲放大器、积分器、比较器和模拟开关组成。每个A/D转换周期分为四个阶段：自动调零、信号积分、反向积分和零积分。1 1. .自自动动调调零零阶阶段段在自动调零阶段， A/D 转换电路要完成三项工作： 将 IN+、IN-与外部引线脱开，在芯片内部与 COM 端短接，使 VIN=0；将基准电容充电至 VREF；闭合反馈电路对自动调零电容 CAZ充电到一定的电压，以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压，使输入端失调电压小于10 微伏。2 2. .信信号号积积分分阶阶段段此时，自动调零回路呈开环状态， IN+、IN-分别与外引线接通， ICL7135 对VIN进行信号积分；积分结束时，信号的极性被门锁入极性触发器中。3 3. .反反向向积积分分阶阶段段在此阶段， IN 在芯片内部与 COM 短接，IN 则接已充好电的基准电容相应端，使积分输出返回零。4 4. .零零积积分分阶阶段段在零积分阶段， IN 与 COM 短接；同时，闭合反馈回路。四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计45第七章 单片机系统单片机系统目前得到广泛应用的是MCS-51 系统，单片机的选择主要由参与运算的数据位数长短和输入输出口的要求所决定。ROM 主要是由软件的长度决定。通过执行程序主要完成下列工作：识别输入信号的f 值并进行修正和补偿，识别不同型号车皮的吨位，记录装置的初始值（皮重） ，将每斗数据运算后送至显示器显示，累加每斗净重后送比较报警和显示，满载打印。MCS-51 是一种单片机的名称，属于这一系列的单片机芯片有很多，但它们的基本组成和基本性能都是相同的。下面就MCS-51 系列单片机的结构、 8051 芯片引脚及作用以及各电路与 MCS-51 单片机接口电路的设计做一简单的介绍。7.1 MCS-51 系列单片机的结构7.1.1 MCS-51 单单片机的基本片机的基本组组成成图 7-1 MCS-51 单片机的基本结构Fig 7-1 The basic structure of MCS-51图 7-1 所示为单片机的基本组成结构，每一片单片机包括：（1）中央处理器 CPU；（2）内部数据存贮器 RAM，用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果和最终结果；（3）内部指令存贮器 ROM，用以存放程序，也可以存放一些原始数据和表格，但也有一些单片机内部不带ROM；（4）四个 8 位的并行输入 /输出端口，每个端口可以用作输入，也可以用作输出；P1P3TXDRXDINT0INT1定时/计数器ROMRAMT0T1CPU时钟电路中断系统串行接口并行接口P2P0第七章 单 片 机 系 统46（5）两个或者三个定时 /计数器，可以用来对外部事物进行计数，也可以设置成定时器，并可以根据计数或定时的结果对计算机进行控制；（6）内部中断控制系统；（7）一个串行接口电路，使得数据可以一位一位串行的在计算机和外设之间传送；内部时钟产生电路，但晶体和微调电容需要外接，最高允许的振荡频率为12MHz。以上各个部分通过内部数据总线相连接。7.1.2 MCS-51 系列系列MCS-51 系列单片机已有 10 多个产品，其性能如表 7-1 所示。表中列出了四组性能上略有差异的单片机。前两组属于同一规格，都可称为51系列，带 “C”则表示所用工艺为 CMOS，故具有低功耗的特点。如8051 功耗约为 620mW，而 80C51 功耗只有 120mW。后两组为 52 系列，性能要高于 51 系列，除了存贮器配置等差别外， 8052 片内 ROM 中还掩膜了 BASIC 解释程序，因而可以直接使用 BASIC 程序。此外， 87C51 和 87C52 还具有两级程序保密系统。表 7-1 MCS-51 系列单片机性能表Table 7-1 A series of MCS-51ROM 形式I/O片内ROM片外EPROM外接EPROM片内ROM（kB）片内RAM（B）寻址范围（kB）计数器并行口串行口中断源8051875180314128264216481580C5187C5180C31412826421648158052875280328256264316481680C25287C25280C232825626431648177.1.3 8051 单单片机的内部片机的内部结结构构8051 单片机内部结构框图如图 7-2 所示。和一般微处理机相比，除了增加了接口部分外，基本结构是相似的，有的只是部件名称不同，如图中的PSW（程序状态字）就相当于一般微处理器中的FR（标志寄存器）。但也有明显不同的地方，如图中的 DFTR（数据指针）是专门为指示RAM 地址而设置的寄存器。尤其值得提出的是图中各寄存器（除了暂存器TMP）实际上都不是独立的寄存器，而是内部四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计47数据 RAM 的一部分。因此，要了解 8051 的内部结构，首先应了解其中的存贮器结构，然后才能进一步了解 CPU 和其他接口部分。图 7-2 8051 的内部结构框图Fig 7-2 Internal structure diagram of 80517.2 8051 单片机的引脚及其功能MCS-51 系列中各种芯片的引脚是互相兼容的，因此，只需要介绍一种芯片的引脚分配即可。当然，不同芯片之间引脚功能也略有差异。MCS-51 单片机是标准的 40 线双列直插式封装的集成电路芯片。图7-3 是8051 系列芯片的引脚分配图。由图中可见，有许多引脚具有双功能，其中有些第二功能是 8751 芯片所专有的。各引脚功能简要说明如下：接地端ssV：电源端ccVP 0.0P0.7：通道 0，双向 I/O 口。第二功能是在访问外部存贮器时可分时用作低 8 位地址线和 8 位数据线，在编程和检验时（对8751）用于数据的输入和输出。P1.0P1.7：通道 1，双向 I/O 口，在编程和检验时，用于接收低位地址字节。P2.0P2.7：通道 2，双向 I/O 口，第二功能是在访问外部存贮器时，输出高8 位地址。在编程和检验时，用作高位地址字节和控制信号。定时 与控制EARSTALEPSEN指令寄存器P3P1P0P2I/O口锁存/驱动器内部总线DPTRRAMROMPC 工作寄存器PSWSPALUB ACCTMP控制中断、定时，串行口的特殊功能寄存器第七章 单 片 机 系 统48P3.0P3.7：双向 I/O 口，每条线都有各自的第二功能。ALE/ ：ALE 是地址锁存允许信号，在访问外部存贮器时，用来锁存P0PROG口送出的低 8 位地址信号。在不访问外部存贮器时， ALE 也以振荡频率的 1/6 的固定速率输出，此时，它可以用作外部时钟或外部定时。：外部程序存贮器 ROM 的读选通信号。在执行访问外部ROM 的时候，PSEN信号会自动产生，而在访问外部数据RAM 或内部程序 ROM 时，不会产生有效PSEN的（低电平）信号。PSEN/：访问外部存贮器控制信号。无效（高电平）时，访问内部EAppVEAROM，有效（低电平）时，访问外部ROM 。第二功能为对 8751 的 EPROMEAppV的 21V 编程电源输入。图 7-3 8051 芯片引脚图Fig 7-3 The picture of 8051RST/VPD：RST 是复位信号输入端。当此输入端保持两个机器周期（24 个振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。第二功能是VPD，即备用电源输入端。当主电源发生故障，降低到低电平规定值时， VPD 将为 RAM 提供备用电ccV源，以保证存贮在 RAM 中的信息不丢失。XTAL1 和 XTAL2：在使用单片机内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，在使用外部时钟时，则用来输入时钟脉冲，但对NMOS 和 CMOS芯片的接法不同。对 8052 系列芯片，由于内部多一个定时器，还需要附加别的输入端，为此，又借用 P1.0 和 P1.1 作为定时器 2 的输入 T2 和 T2EX。7.3 MCS-51 系列单片机接口设计ALE / PROGppXTAL1P2.1ssvP2.0P3.6/WRXTAL2P3.7/RDP3.5/T1P3.4/T0P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P1.1P0.0P1.7P0.68051P3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.0/RXDRST/VPDP2.7PSENEA / VP0.7P1.4P1.6P1.5P1.3P1.2P0.3P0.5P0.4P0.2P0.1P1.0ccv四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计497.3.1 A/D 转换转换器与器与 MCS-51 单单片机的接口片机的接口设计设计ICL7135 的 A/D 转换结果是动态分时轮流输出的BCD 码，因此， MCS-51 单片机只能通过并行 I/O 接口或扩展 I/O 接口与其连接。ICL7135 与 8051 直接连接有两种硬件接口方式：查询方式和中断查询方式。下面我主要介绍一下使用较为普遍的中断查询方式。硬件接口如图 7-4 示。图 7-4 ICL7135 与 8051 的硬件接口Fig 7-4 Interface between ICL7135 and 8051 图中只画出了数据线（、） 、位控线（）及相应的标志、8B4B2B1B1D5D状态控制线，目的是突出 ICL7135 与 8051 单片机的接口连接。ICL7135 动态分时输出的特点使得 8051 单片机只能用本身的并行 I/O 口线与其相连，为了节约 I/O 口线的开销，使用了 74LS157 四 2 选 1 选择器。使“万”位数据输出，及其它的三个标志信号（超量程、欠量程、极性输出）与BCD 码数据输出的、共用 8051 的 P1.3P1.0 四条 I/O 口线。其8B4B2B1B分时传送通过控制 74LS157 的选择端 SEL 实现。SEL 输入低电平时选择5D1A3A 输出，输入高电平时选择 1B3B 输出。因为 “万”位数只能输出 0 或1，是半个位。所以，正好和OR（过量程） 、UR（欠量程）和 POL（正负极性）三位构成四位数据输出，供 8051 读取，这样就可以使用 7135 的“万”位选通信号作为 74LS157 的选择端 SEL 的控制信号。5D在中断查询方式中，数据输出选通信号与 8051 单片机的相连，用STINTOP1.34Y4AB8P1.0P1.1P1.22A1A3AB1B2B474LS 1571Y2Y3YP3.3P3.0P1.7P1.6P1.5P1.4P3.2D1ICL71354B3B2B1BORURPOLSELR/HD4D3D2D5ST8051第七章 单 片 机 系 统50P3.3 口线来启动 ICL7135A/D 的转换，并开放外部中断。在中断处理中再对进行查询，查询到就进行相应得数据处理，中断处理完毕后返回主程序。1D5D7.3.2 由由 8155 构成的构成的显显示器接口示器接口电电路路如图 7-5 是用 8155 并行扩展口构成的键盘、显示器接口电路。LED 5 位 8段显示器共阴极， 8155PB 口提供段选码， PA