测力传感器.doc

武汉理工大学传感器原理及应用课程设计目录1 绪论2 系统方案设计3 元器件的选择和电路设计 3.1传感器的选择及原理3.1.1电阻应变片3.1.2弹性体 3.2 正弦信号设计电路3.3电阻应变式传感器的测量电路 3.4 同相型高共模抑制比放大电路设计 3.5 检波和低通滤波电路设计 3.6可调增益放大电路设计 3.7 数字显示电路设计4 误差来源与分析5总结参考文献1绪论随着科技的发展，人类对各种测量的精度要求越来越高，要测量的数据也越来越多，于是各种各样的传感器应运而生，借助这些传感器，可以解决很多测量上的问题，比如测量精度的提高，测量环境对人体的限制都可以在传感器间接的测量下得到解决。传感器在科技发展中产生，也对科技的发展做出了很大的贡献。本次课程设计主要掌握电阻应变式传感器的原理和设计。测力传感器原理：有一个或多个能在受力后产生的弹性体，和能感应这个形变量的电阻应变片组成的点钱电路，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密封胶等三大部分组成测力传感器。在受力作用后，粘贴在弹性题的应变片随之产生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量信号，从而实现由非电量到电量的转变。合理应用所学的知识，充分发电阻应变式传感器的共能，灵活搭配各个元器件，就能组装出一个测力式传感器，需要各方面的能力包括理论知识和动手操作等，因此需要在课程设计前做好充分的准备，从选课题到付出实际行动都要认真仔细的思考仔细的做，遇到问题就分析解决问题，直至连接成功。2.系统方案设计要实现对物体质量的测量，必须有测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式传送到A/D转换器。其次，由A/D转换电路把由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。具体方案如下：电桥测量：电阻应变式传感器输出信号差动式高共模抑制比放大电路放大电路增益可调电路检波和滤波电路显示电路（LED）A/D转换电路（双积分） 图2.1方案设计现如今人们都追求高质量的生活，但质量高低，得有个评判的标准，于是，电子称诞生了。电子秤具有称重精确度高，简单实用，携带方便成成本低，制作简单，测量准确，分辨率高，不易损坏和价格便宜等优点,是学生在校外地摊购买水果的首选。其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，检波和滤波电路，A/D转换，可调增益放大电路，显示电路。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于各种新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。3 元器件的选择和电路设计3.1传感器的选择及原理 测力传感器种类很多，主要有柱式力传感器，梁式力传感器，剪切式力传感器等，此次设计是用剪切式力传感器测物重。 原理：有一个或多个能在受力后产生的弹性体，和能感应这个形变量的电阻应变片组成的点钱电路，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密封胶等三大部分组成测力传感器。在受力作用后，粘贴在弹性题的应变片随之产生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量信号，从而实现由非电量到电量的转变。3.1.1电阻应变片灵敏系数是电阻应变片的重要参数，若是灵敏系数分散大，准确度低，灵敏系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，他与应变片的形状，尺寸大小无关，不同的材料K值一般在1.7到3.6之间；其次K是一个无关次量测。与其他测量手段相比，电阻应变片有以下优点： （1）测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测12，误差小于1。 （2）应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小，既可用于静态测量，又可用于动态测量。 （3）测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从120。 （4）适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。（5）便于多点测量、远距离测量和遥测。 根据应变测量的目的、被测试件的材料和其应力状态以及测量精度，选择应变片的形式，对于测试点应力状态是一维应力的结构，可以选用单轴应变片，已经知道主应力方向的二维应力结构，可以使用直角应变花，并使其中一条应变栅与主应力方向一致，如主应力方向未知就必须使用三栅或四栅的应变花。对于传感器设计来说，应变片的形式主要决定于弹性体的结构，如柱式、板环、双孔平行梁等弹性体，他们采样正应力或弯曲应力，所以应变片均采用单轴应变片。另外象剪切桥式、轮辐式、剪切悬臂式、三梁剪切式弹性体一般使用双轴45应变片。平膜片压力传感器多采用全桥圆形应变片。 选择应变片尺寸时应考虑应力分布、动静态测量、弹性体应变区大小等因素。若材质均匀、应力剃度大，应选用栅长小的应变片，若材质不均匀而强度不等的材料（如混凝土）或应力分布变化比较缓慢的构件，应选用栅长大的应变片。对于冲击载荷或高频动荷作用下的应变测量，还要考虑应变片的响应频率，如下表所示。一般来说，应变片丝栅越小，测量精度越高，越能正确反映出被测量点的真实应变，因此，在加工精度可以保证的情况下，综合考虑各种因素影响，应变片的栅长小一些比大一些好。表1各种栅长应变片的最高工作频率应变片栅长L（毫米）12510202550可测频率F(千赫)250125502512.5105注：表中是在钢材上正弦应变信号测得的数据，其中L=/20，=C/f式中C为应变波传播速度，对于钢和铝C=5000米/秒，f为正弦应变频率。使用环境温度对应变片的影响很大，应根据使用温度选用不同丝栅材料的应变片，国家标准中规定的常温应变片使用温度为3060C。一般康铜合金的最高使用温度为300C卡玛合金为450C，铁镍铝合金可以达到7001000C。常温应变片一般采用康铜制造，在应变片型号中省略使用温度。如果需要高温应变片需特别说明。由于基底材料和粘接胶的限制，目前中温箔式电阻应变片一般都使用卡玛合金制作200250C左右的中温应变片。测量时为提高灵敏度，常用较高的供电电压，由于350欧姆和500欧姆等大阻值应变片具有通过电流小，自热引起的升温低，持续工作时间长，动态测量信噪比高等优点，应用越来越广泛，因此选用综合考虑选用BH350-3AA箔式电阻应变片，其灵敏系数K=2，栅长为5mm 所以应变工作频率为50KHZ。3.1.2 弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件。他的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静态平衡；其次，他要产生一个高品质的应变场区，使粘贴在此区的电阻应变比较理想的完成应变到电信号的转移任务。1） 材料选取：选取工字型钢（10号）截面梁，其许用剪应力 =100MPa，许用正应力=160MPa，d=4.510m，h=0.1m，b=68mm，E=210GPa，=03，W=46.9cm。2） 强度校核计算：max=FsaxSzIzd （3-1）其中Fsmax为所受最大力，Sz为对Z轴的静矩，Iz为对Z轴的转动惯量，d为工字型刚的腰厚。在量程为0100kg时，Fsmax=100N，IzSz=8.5910，d=4.510m,所以max=2.6Mpa；而max=MmaxW=3.6MPa;梁的应变为=8K1+Fd2h+dbE当F=1000N时，max=6481500，满足要求3.2正弦信号设计电路ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。其芯片如下图3.1：图3.1 ICL8038芯片ISL8038管脚功能 ：1，12 SINADJ1，SINADJ2 正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压， SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。 2 SINOUT 正弦波输出 3 TRIOUT 三角波输出 4，5 DFADJ1，DFADJ2 输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。 6 V+ 正电源 7 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压 8 FMIN 调频电压输入端 9 SQOUT 方波输出 10 C 外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比 11 V- 负电源端或地 13，14 NC 空脚 正弦信号发生器连接图如下图3.2：图3.2正弦信号发生器如图4，Ui输出为正弦信号，R1，R2可以调节正弦波的频率和占空比，R6，R7为正弦波波形调整端，R4可以用来调节正弦波的幅值。用此图来设计一个Ui=14.14sinwt，5KHZ的信号。3.3 电阻应变式传感器的测量电路由于室温的不确定性和机械间的不确定因素，应变片可能存在零点漂移，这就需要进行温度补偿，我采用全桥接法，通过调节两个桥臂电阻的大小，达到温度补偿的效果。基于前几周刚做完传感器实验，故模仿其中的应变式传感器单臂电桥所接全臂电桥实验接线图如下：图3.3全桥测量电路其中R14到R17为电阻应变片，R15=R16=350欧姆，为同方向变化；其余两个为反方向变化，阻值为350欧姆。R11到R13为消除零点残余电压部分，阻值分别为1000欧姆，5000欧姆，1000欧姆。 由于U0=U1U2=KUi （3-2）,在Ui有效值为10v时，U0max=KmaxUi=12.96mv;灵敏度为U0K=Ui=10mv3.4 同相型高共模抑制比放大电路传感器输出的信号中可能存在共模信号，因此必须消除传感器输出的共模信号，采用同相串联高共模抑制比放大电路可以较好的抑制共模信号，电路图如图3.4图3.4同相串联型高共模抑制比放大电路LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“”“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3.6。 图 3.5 运放引脚 图 3.6 LM324引脚接线由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。由电路可得Uo1=1+R20R21U2，Uo1U1R19=（U1U3）R18；所以U3=（1R18R19）U1（1R20R21）R18U2R19，因输入共模电压Uic=（U1U2）2，输入差模电压Uo1=U1U2，上式可改写为：U3=（1R20 R18R21 R19）Uic+（0.5+ R18R19+ R20 R182R21 R19），为了获取零共模增益，上式等号右边第一项必须为零，可取R18R19= R20R21 （3-3）此时，电路的差动闭环增益为：Kd=1+ R20R21 （3-4）故可取R18 =R20=24K，R19 =R21=1K，此时Kd=25，在U1U2=12.9mv时，U3=32.25mv。3.5 检波和低通滤波电路设计 根据包络检波原理知，只要采用适当的单项导电器件取出其上半部分波形，即能实现包络检波。再经过低通滤波，滤除载波信号，获取所需的调制信号其电路图如图3.7所示图3.7检波和低通滤波电路在图3.5.1中利用二极管实现检波，消除负半周的信号；利用低通滤波器实现滤波功能，将交流信号转换为直流信号。由虚短，虚断可得： U4U3=R23R22（SCR231） （3-5）其幅频特性A= R23R22 （3-6）当A=1.414时，对应的频率为低通滤波器的截止频率，取R23=50K，R22=50k,C=0.1F,由3-6式计算得=200rads，故截止频率f=23.14=1256HZ。3.6可调增益放大电路设计 可调增益放大电路主要用来调整输出电压的大小，使被称物重大小与输入到数字显示器的电压大小相等，其电路图如图3.8图3.8可调增益放大电路当放入10千克的物体时，数字显示器应该显示为10，通过调整R25即可保证要求。若取R24=1K，R25=10K则R26R24R251K3.7数字显示电路设计显示测量仪表以集成芯片(比如ICL7107芯片)集成显示为主,或者进行A/D转换后,简单地用单片机技术实现数字显示,单片机技术只是运用于简单的显示采用ICL7107来构成A/D转换模块，引脚功能如图3-9所示图3-9 ICL7107引脚接线ICL7107是高性能、低功耗的三位半数模转换器，包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。根据各个引脚的功能，加上一些简单的元器件，连接成A/D数显模块，最右端连接四个七段显示译码管，由下至上编号1234，位数由低至高，显示物体实际质量。其中7107集成块时核心部件，用以实现模数转换。ICL7107将通用性、高精度和低成本真正的结合在一起，又低于10的自动校零功能，零漂小于1/度。ICL7107特点： ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1 个字。 能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。 在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。 能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。 输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。 整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。 噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。 芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。 不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阴极接V+。译码管的七个引脚按序排列，组成的二进制数再转化成相应的十进制数，就通过二极管的位置组合显示出来，我们可以方便快速的的读数。 我采用共阴极接法，即输入七段显示译码管每个引脚的高电平有效，当输入为1时，译码管中的二极管灯亮，按照上表所示，显示数字，其引脚接线如图3-9图 3-9 二极管引脚接线ICL7107芯片的正常与否测试（1）关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在 3V 至 5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 199.9mV 的电压。在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。（2）注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。（3）注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。 本文不讨论特殊要求应用。（4）负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个 +5V 供电就可以解决问题。比较常用的方法是利用 ICL7660 或者 NE555 等电路来得到，这样需要增加硬件成本。我们常用一只 NPN 三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片 38 脚的振荡信号串接一个 20K 56K 的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为 2.4V 2.8V 为最好。这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过 2 只 4u7 电容和 2 支 1N4148 二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给 ICL7107的 26 脚使用。这个电压，最好是在 3.2V 到 4.2V 之间。（5）如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1 档，我们可以分别调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来，把它们依次输入到 ICL7107的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值，允许有 2 3 个字的误差。如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电压。（6）比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 100.3 之间，越接近 100.0 越好。这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。如果差的太多，就需要更换芯片了。ICL7107与数码显示管电路接线如下图3-10图3-10数字显示电路4 误差来源与分析由于温度变化造成的误差来源很多，所以会有不同现象的误差出现，如温度变化时，零点会有变化，其次在被应力不变的情况下，不同温度条件将可能有不同的输出。前者称为温度引起的零点漂移，而后者称为灵敏度漂移。 引起零点漂移的原因主要有应变片粘贴的好坏，应变片材料的不均匀，所选应变片的电阻温度特性不一致等。由上述原因造成的零点漂移，在测量桥配好以后，往往具有固定的方向性，可采用简单的方法，在相应的桥臂中串入一个由较大温度系数材料制成的电阻来进行补偿。 引起灵敏度漂移的主要原因是弹性体材料的弹性模数随温度的变化，应变片灵敏系数随温度的变化、弹性元件热膨胀系数变化及热膨胀各向异性等因素。而以弹性模数随温度变化为主，且大多是随温度提高而灵敏度也相应提高。对灵敏度漂移补偿最简单的方法是随温度的变化自动调整供桥电压，当供桥电压降低时，电桥的不平衡输出减小，即降低了电桥的灵敏度。正确的补偿为在桥路进行实际灵敏度漂移的测量，然后根据漂移的正或负方向、大小来确定补偿方法及补偿量。常用的方法有改变供桥稳压电源输出值或在电路中串、并联电阻等。一般当灵敏度随温度升高而提高时，可在电源回路中串入一个正温度系数的电阻加以补偿。在传感器的制作中常用补偿块来实现温度补偿并提高灵敏度。除由温度引起的误差外，还存在一定的非线性误差，例如应变片的非线性误差，电桥输出的非线性误差，可以使用较大的电阻初值来消除。 在12位AD转换误差，AD转换芯片转换精度为0.05%1字会引起误差。5总结课程设计总算是做完了，这耗时十天的传感器课程设计可真是不轻松。记得老师给我们题目时，我是老虎吃天-无处下口，脑子里除了知道什么是应变式传感器外，啥都不知道了，更别说基于什么要求、设计怎样的电路并实现预期的功能了，不过新东西都得从零做起嘛，有句话说的好，汗水预示着结果也见证着收获，电脑刚安装上protel时，我连基本的菜单都不知道，现在好歹能画出个图了。至于布线图，哎呀呀，可费事了，花了我整整两天时间，虽然线连出来了，也布好了，但是规则测试时，还是出了不少问题，现在还没解决呢，说心