应变片称重传感器.doc

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书第一章 摘要应变片称重传感器信号调理电路设计，在分析重力传感器信号特性的基础上，通过电路设计，把重量变化引起的应变片电阻的变化，反应到电压的变化上。信号调理电路是那模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示、处或其他目的的数字信号。此称重传感器信号调理电路应用了模块化设计，并通过仿真实验得出了较理想的仿真结果。Multisim仿真结果表明：此电路设计能实时、准确的处理信号。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。第二章 引言 随着科学技术的发展和自动化程度的提高，作为获取信息的传感器应用越来越广，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。传感器输出的信号往往存在非线性问题、滞后误差、蠕变、温漂等问题，因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，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。称重传感器信号检测的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。由称重传感器的分析可知：电桥输出与激励电压成正比，使得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。第三章 电路设计 根据设计要求，采用电压驱动电桥，这样就确保了检测信号的精确度和线性度。利用电阻电桥测量微小电阻变化，电桥由连成四边形的四个电阻组成，其中一个对角接激励电压源，而另一个对角接电压检测器，检测器将测量两个分压电阻中点间的电压。这种电桥电路在实际中可以根据输出电压直接观测出电阻差。3.1信号处理电路的设计信号处理电路的模块结构如图1所示：采用应变片称重传感器提高检测精度和使加卸载曲线对称，调理电路采用5V参考电压芯片AD588，使输出为符合设计要求的电压输出，精密齐纳二极管型参考源AD588对温度变化具有极低的激励漂移和增益。调理模块采用精确度高、使用简易、噪声低的仪用放大器AD620.保证了信号调理器的精确度和稳定度。 图1 信号调理模块结构图3.1.1传感模块全器件变化电桥通常采用分立设计,并组装在一个模块内.当对这类电桥进行调理时,必须采用特殊的技术以确保精度.特别需要注意的是必须确保电桥激励电压源的精度和稳定度.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.其结构如图2所示。我们设计的精密四应变片称重传感器的电桥具有六个引脚:两个与电桥输出端相连,两个与电桥激励源相连,还有两个是传感器引脚. 图2 传感模块3.1.2稳压模块由于应变片称重传感器是要根据应变片电阻变化导致的电压变化来反应称重结果，所以要保证引起电压变化的源头尽量只能是重量的变化而不受其他因素影响，所以需要一个稳压模块。稳压模块主要由比较先进的精密齐纳二极管型参考源AD588构成。图3 AD588结构图AD588内置基本基准电压源和三个附加放大器，可提供引脚可编程的输出范围。这些放大器经过激光调整，具有低失调和低漂移特性，以保持基准电压源的精度。通过放大器配置，则可以与负载和/或升压器实现开尔文连接，以便驱动长线路或高电流负载，进而提供应用电路所需的全部AD588精度。AD588具有较低的初始误差,对温度变化具有极低的激励漂移和增益,用于精密测量,能够为系统提供5V的稳定的参考电压.图4 AD588引脚连线图3.1.1电流缓冲模块为使电路中有理想的电流，保证该电路获得最高的精度，电路在运放输出端最好增加电流缓冲器。在这里我们使用2N2219A型的三极管作为缓冲器,与性能好精度高的运算放大器OP177构成反馈回路,并提供电桥所需的驱动电流。OP177特点:超低失调电压：局长= 25：25V的最高 杰出失调电压漂移0.1V的/ C最大 优秀的开环增益和增益线性12伏/V的典型 共模抑制比：130 dB最小 电源抑制比：115 dB最小 低电源电流二点毫安最高 符合行业标准的精密运算放大器插座应用3.1.4放大模块在我们设计的信号调理电路中采用了增益范围较大, 且精度较高的AD620 芯片作为高精度放大模块。其结构如图3所示： 图5 AD620结构功能框图AD620的特点及技术指标1.易于使用通过一个外部电阻设置增益(增益范围：1至10000)宽电源电压范围(2.3 V至18 V)具有比三运放IA设计更高的性能提供8引脚DIP和SOIC封装低功耗,最大电源电流为1.3 mA 图6 AD620芯片引脚图2.低噪声输入电压噪声：9 nV/Hz(1 kHz)0.28 V 峰峰值噪声(0.1 Hz至10 Hz) 3.出色的直流性能(B级)输入失调电压：50 V(最大值)输入失调漂移：0.6 V/C(最大值)输入偏置电流：1.0 nA(最大值)共模抑制比：100 dB(最小值,G = 10) 4.出色的交流特性带宽：120 kHz (G = 100)0.01%建立时间：15 s 该放大器的特点为： 差动输入， 单端输出。电压增益可由一个电阻 RG来确定,且增益连续可调,并有效地解决了后级负载对地连接的问题。 Al 、A 2组成了同相高输入阻抗的差动输入，差动输出,并承担了全部的增益放大任务。由于电路结构对称， 增益改变时,输入阻抗不变。反馈电阻R1=R2=24.7k ， 放大器A1、A2的共增益、失调、漂移等误差均得到了相互补偿后级A3的增益为 1 ，具有较高的共模抑制比和抗干扰能力。AD620引脚功能：1、8：外界增益调节电阻；2：反向输入端3：同向输入端4：负电源5：基准电压6：共地信号输出7：正电源AD620 的两个内部增益电阻为24.7K , 因而增益方程式为 (1)对于所需的增益, 则外部控制电阻值为 (2)RG为外部增益调正,可在放大器的脚l和脚8之间跨接此高精度电阻来满足所需要的放大倍数.第四章 参数的计算基本惠斯通电桥如图5所示:图7 惠斯通电桥其输出电压为: (3)平衡时如果,那么然而,对于大多数采用电桥的传感器应用来说,电桥中的一个或多个电阻的取值发生变化都意味着测量量的大小发生变化.因此输出电压的变化就反映了电阻值的变化.由于电阻变化通常较小,因此,即使采用VB=10V的激励,输出电压也只能变化数十毫伏.很多电桥应用中,通常变化的电阻不止一个,有可能是两个,甚至四个都变.而我们设计的是四应变片传感器,也就是说所有的元件都发生变化,其变化如图6所示:图8 全器件变化型电桥其输出电压为: (4)应变片材料选用康铜,其灵敏度系数为1.92.1,取K=2;应变片电阻选用标称值为的电阻;根据设计要求应变范围为0.110000;则由公式 (5)得所以我们选用的变阻器来模仿应变范围为0.110000的应变片.,由公式(4)得根据设计要求信号调理电路的输出电压的范围为02.5V,根据有仪用放大器的增益根据公式(2)得在我们设计的电路中选用一个固定的电阻和一个变阻器串联作为, 选用1%的值为的标准电阻, 选用的变阻器。通过调节的大小，可以获得所需的增益。第五章 误差分析5.1 AD620的误差分析采用放大器AD620 ,增益误差可0.01，非线性0.002。AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，使AD620特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、 精密电压电流转换等应用场合。 5.2电桥电阻的线性误差单元件变化时电桥终点线性度误差我们设计的电桥为四应变片电桥,且对角的两个元件向相同方向变化,变化量相同,一个对角上增大,另一个对角等值减小。电阻产生的线性误差相互抵消，所以电桥总的线性误差为0。第六章 仿真结果及分析6.1 仿真电路图：6.2仿真结果数据表R()0246Uo151.25nv10.001mv20.001mv30.002mvUout676.63v-243.93mv-488.556mv-735.137mvR()8101214Uo40.003mv50.003mv60.004mv70.004mvUout-980.402mv-1.226v-1.471v-1.716vR()161820Uo80.005mv90.005mv100.006mvUout-1.961v-2.207v-2.457v图9 Uo-R关系曲线 图10 Uout-R关系曲线第七章 心得体会作为一名测控专业的学生，掌握好测控电路这门课程很重要，测控电路是我们以后从事测控方面工作的知识基础。在这一周的课程设计过程中，我们两人一个小组，查找资料，构思，设计称重传感器信号调理电路的每一个模块，整合，仿真。整个过程中，同小组的积极配合，不同小组间也互相帮助，共享资料，体现出了同学之间互帮互助，积极探讨，不怕困难，共同解决问题的可贵精神；也再次验证了独立思考，不懈求索，信心、耐心、和细心的重要。这个学期，我们上了七周的测控仪器电路的课程，学习了一定的理论知识，可那都还只是理论层面上的。如果不通过这次课程设计的实践，也许有些当初掌握的不是很牢固的知识就早早被淡忘了，但因为有了这次课程设计的机会，加深了我们对测控电路和传感器相关方面知识的理解，把所学习的理论知识与实践结合起来，提高了自己独立思考和实际应用的能力。这次课程设计为我们提供了一次难得的实践机会，在此过程中，我们受益匪浅。从设计该调理电路的每一个环节中，我们都有不同的收获。从开始到图书馆查阅资料，到最后的模拟仿真，我们学会了在一个问题出现以后，冷静地分析问题，不会不懂的地方，查书，上网搜索，和同学探讨，请教老师，最后解决问题；我学会了把测控电路与传感器结合起来，真正实现测控电路的功能，使我们以前所学的两门课程，通过实践真正结合起来；通过查找的视频，学会了应用multisim仿真软件。在这次课程设计中，我们温故知新，对以前的知识有了新的认识，在以后的学习中，我会更注重理论与实践的结合。 参考文献李科杰 新编传感器技术手册 国防工业出版社 2001年贾伯年 传感器技术 东南大学出版社 1992年杨宝清 、孙宝元 传感器及其应用手册 2004年康华光 模拟电子技术 高等教育出版社 2002年赵负图 现代传感器集成电路 人民邮电出版社2000年赛尔吉欧 弗朗哥著 刘树棠译 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 电路原理图燕山大学课程设计评审意见