桥梁压力检测系统测量通道设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 信号变换综合设计信号变换综合设计 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 桥梁压力检测系统测量通道设计桥梁压力检测系统测量通道设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 测控测控 102 班班 学学 号 号 100310035 学生姓名 学生姓名 于海洋于海洋 指导教师 指导教师 王俊生王俊生 起止时间 起止时间 2013 6 24 2013 7 5 本科生课程设计 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 测控技术与仪 器 学号100301035学生姓名于海洋专业班级测控 102 设计题目桥梁压力检测系统测量通道设计 课程设计 论文 任务 设计任务 设计任务 实现桥梁承重力的检测 主要实现系统的前向通道 可应用于钢架桥梁或 房梁承重的检测与控制 传感器可采用应变片传感器 采用单桥 双桥或全桥电路 要进行线性分析 设计信号转换或转化电路 放大滤波等电路 最后将压力信号转化 为电压信号输出 根据测量的压力 输出不同的电压 进行电路仿真 或进行电路板 焊接 技术要求技术要求 测量范围 0 10t 环境温度 30 70 测量精度 1 级 信号输出 电压 5v 1v 实现超限时的声 光报警 传感器 敏感元件 应变式压力传感器 说明书要求说明书要求 1 格式规范 符合学校要求 2 说明书中应有测量压力方法的比较与方案论证 压力测量原理 公式 及具 体的实现方案 电路器件型号 参数 误差说明等 3 硬件电路应由 protel 绘制 3 按规定格式 撰写 打印设计说明书一份 详细阐述系统的设计过程 字数应 在 4000 字以上 工作计划 1 布置任务 查阅资料 理解掌握系统的设计要求 2 天 2 选择相应传感器 设计硬件电路图 2 天 3 计算器件参数 选择元器件型号绘制硬件电路图 3 天 4 仿真调试或硬件电路焊接 调试 2 天 5 撰写 打印设计说明书 答辩 1 天 指导教师 评语及成 绩 本科生课程设计 论文 II 平时 论文质量 答辩 指导教师签字 总成绩 年 月 日 注 成绩 平时 40 论文质量 40 答辩 20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 III 摘 要 随着交通运输事业的发展 交通运输量大幅度增长 行车密度及车辆载重 越来越大 尤其是拖挂运输 集装箱运输 个体户载重货物运输等重型车辆日 益巨增 特种工程车如矿山运载车 大型平板车亦不时出现 现有公路桥梁中 相当一部分 特别是年代较远的低等级载荷桥 已远远不能满足使用上的要求 本课程设计利用应变式传感器对桥梁的承重力进行检测 通过传感器的采集信 号 采用单桥 双桥或全桥电路 要进行线性分析 设计信号转换或转化电路 放大滤波等电路 最后将压力信号转化为电压信号输出 关键词 桥梁承重力 应变式传感器 信号转换 放大滤波电路 本科生课程设计 论文 IV 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 桥梁检测的目的和意义 1 1 2 桥梁检测的技术发展前景 1 1 3 桥梁承重力检测原理 1 第 2 章 方案设计 3 2 1 题目分析 3 2 2 方案论证和比较 3 第 3 章 电路设计 5 3 1 电桥电路的设计 5 3 2 放大电路的设计 5 3 3 低通滤波器的设计 6 3 4 电源电路的设计 6 第 4 章 仿真结果 7 4 1 仿真电路图 7 4 2 仿真结果 7 4 3 仿真结果分析 8 第 5 章 课程设计总结 9 参考文献 10 附录 I 11 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 桥梁检测的目的和意义 检定现有桥梁的实际承载能力 为桥梁的使用及维修加固提供必要的依 据 近年来随着我国工业化进程的加快 特大型工业设备运输 集装箱运输 矿山特种车辆及私自改装重型车辆的运行 都给现有桥梁的安全使用造成威 胁 原来按旧标准规定的荷载等级设计建造的桥梁 由于交通量的不断增加 加之前述重型车辆的频繁出现 更是造成这些桥梁雪上加霜 现有道路上的 桥梁由于营运使用多年 主要部位出现缺陷 如裂缝 错位 沉降等 通过 对现有桥梁进行检查 了解其各部位损坏的程度 核定其承载能力 为桥梁 的维修加固提供必要的依据 另外 当桥梁遭受特大灾害时 如因地震 洪水等而受到严重损坏或在 建造 使用过程中发生严重缺陷 如质量事故 过度的变形和严重裂缝以及 意外的撞击受损断裂等 均须通过对其检查 核定其承载能力 为桥梁的 管养提供可靠依据 1 2 桥梁检测的技术发展前景 至目前 我国公路通车里程已达 175 8 万公里 高速公里路程达 2 58 万公里 跃居世界第二 建成的永久性桥梁在29 万座以上 1982 年以前 建成的桥梁约 13 6 万座 大部分是按 1972 年以前部颁 标准建造 绝大部 分已满足不了当前使用上的要求 此外 现有桥梁往往需要应对特殊载荷的需求 一个特大构件的运输 新建一条临时便道的投资很大 沿已有道路运输虽则方便 但桥涵的通行能 力便成了控制因素 为了安全可靠地利用已有公路 则对桥涵进行检查 施 行临时加固 采取科学对策是十分重要的 1 3 桥梁承重力检测原理 应变式压力传感器为本课程设计的主要部件 传感器中的弹性元件感受物 本科生课程设计 论文 2 体的重力并将其转化为应变片的电阻变化 再利用交流全桥测量原理得到一定 大小的输出电压 通过电路输出电压和标准重量的线性关系 建立具体的数学 模型 在显示表头中将电压 V 改为承重力 t 即可实现对桥梁承重力的检 测 信号放大电路是为了将微弱的传感器信号 放大到足以进行各种转换处理 或驱动指示器 记录器以及各种控制机构 本次课程设计所测质量范围是 0 10t 同时也将后续处理电路的电压处理为与之对应的 1 5V 由于采用了交流 电桥 所以后续电路包括放大电路 相敏检波电路 低通滤波电路 本科生课程设计 论文 3 第 2 章 方案设计 2 1 题目分析 本次课程设计通过应变式压力传感器对桥梁承重力的检测 利用应变式传 感器进行控制 将获得的信号进行滤波 放大 实现检测 2 2 方案论证和比较 1 弹簧管压力表 根据弹性元件的弹性特性进行工作 由弹簧管 机械传动放大机构 指针 刻度盘构成 被测压力通过弹簧管转换成其自由端位移 经机械传动机构转换 成指针位移 与刻度比较后即可知道被测压力的大小 弹簧管压力表结构简单 测量可靠 价格低廉 是应用范围广 应用历史长的就地指示式压力仪表 2 应变片式压力传感器 根据应变效应来完成被测压力的测量 由压力敏感元件 应变片 洲量电 桥 显示仪表构成 压力敏感元件受压力作用后产生相应的应变 E 的作用 由 应变效应可知 电阻值的变化 经测量电路转换为电压的变化量后 由显示仪 表显示出被测压力的大小 3 霍尔片式压力传感器 由弹簧管 霍尔效应装置 显示仪表构成 被测压力通过弹簧管转换成霍 尔片在非线性磁场中的位移 经霍尔效应装置输出相应的霍尔电势 由显示仪 表显示出被测压力的大小 4 电容式压力变送器 由电容式压力敏感元件和测量转换电路构成 被测压力通过压力转换元件 转换成电容动片的位移量 再通过电容器转换为电容量的变化量 经测量电路 检测出电容量的变化 由显示仪表显示出被测压力的大小 5 扩散硅式压力传感器和膜盒式压力变送器 以上五种传感器中应变式压力传感器符合本设计要求 系统控制单元是以电源电路 电桥电路 滤波模块 滤波电路模块等组成 其结构框图如图 2 1 所示 本科生课程设计 论文 4 传感器电桥电路滤波电路放大电路 图2 1原理框图 电源 本科生课程设计 论文 5 第 3 章 电路设计 3 1 电桥电路的设计 为了实现对应变片的温度补偿 因此选择全桥电路作为测量电路 将 2 片 应变片接入电桥 其次 全桥电路的电压灵敏度比单臂工作电桥提高 4 倍 全 桥电路与相邻臂工作的半桥电路不仅灵敏度高 而且的那个负载电阻无穷大时 没有线性误差 同时还起到温度补偿的作用 桥路接法如图 3 1 所示 8 04 02 k R R VV R R UiUo48 05 图 3 1 交流电桥 3 2 放大电路的设计 由于传感器输出的电压比较小 因此需对其进行放大使之满足后续电路的 处理要求 鉴于传感器输出可能杂有共模电压 为此 选取具有高共模抑制比 AR1 作 为放大器来达到净化信号电压和充分节约成本和制造的空间的目的 如图 3 2 UiUi K K Ui R R Uo10 10 100 6 5 10 f K AR 1 R6 10K R5 100K Ui Uo R7 100K VC C 图 3 2 放大电路 R1 350 R2 350 R3 350 R4 350 Ui 0 40m V Uo 本科生课程设计 论文 6 3 3 低通滤波器的设计 由于经过相敏检波后的电压还混有高频载波信号 所以需将其滤掉 又因 为相敏检波后输出的电压与原信号差一个负号 所以选择反相一阶有源低通滤 波器 这样就可以得到真正反映原信号的直流输出 低通滤波器截止频率设为50HZ 电路图如图3 3所示 10 9 10 R R Kp Hz CCRR W316 21108 1 0 Hz W Wc50 2 0 图 3 3 低通滤波电路 3 4 电源电路的设计 根据传感器电源需求的大小 使用 CW7805 三端固定正集成稳压器 使电源 参输出电压稳定在 0 40mV 输出电流在 1 5A 该器件内部设置有过热保护和调 整管安全工作区保护电路 内部电路采用噪声低 温度漂移小的带隙基准源结 构 可确保使用安全 下图是该三端温雅电源的电路图 图中的 C2 C3 主要用 来消除可能产生的高频寄生振荡 在稳压输出方面效果极佳 电路图 3 4 如示 R8 10K R9 10K R10100K C1 10uF C2100uF AR1 R11 10k VCC U0 Ui T 220V 1 2 3 4 D C3 330uF C433uFC5 0 1uF CW7805 Uo 本科生课程设计 论文 8 图 3 4 电源电路 本科生课程设计 论文 9 第 4 章 仿真结果 4 1 仿真电路图 在仿真过程中 光电池用 12V 的脉冲信号源代替 反向放大器的两端 一 端接入直流电源 另一端接地 两级放大器的输入端由充电电池提供 由于充 电电池由脉冲信号代替 故可省去稳压管 需要经过低通滤波电路 经过两级 放大输出的信号为 Uout1 Uout1 和电池电压在经过比较器进行比较 比较器输 出为 Uout 最后在通过继电器控制开关 在电池正常放电的过程中 二极管发 光 证明电池在正常工作 此时发光二极管的阳极电压为 Uout2 根据这些条 件对电路进行仿真 仿真电路图如下所示 图 4 1 仿真电路 4 2 仿真结果 在仿真过程中 光电池用 12V 的脉冲信号源代替 反向放大器的两端 一 端接入直流电源 另一端接地 两级放大器的输入端由充电电池提供 由于充 电电池由脉冲信号代替 故可省去稳压管 需要经过低通滤波电路 经过两级 放大输出的信号为 Uout1 Uout1 和电池电压在经过比较器进行比较 比较器输 出为 Uout 最后在通过继电器控制开关 在电池正常放电的过程中 二极管发 AR2 R8 10k R9 10K R10 100K R11 100K VCC C110uF C2 100uF AR1 R6 10K R5 100K R7 100K VCC R1 350 R2 350 R3 350 R4 350 V1 5V Uo 本科生课程设计 论文 10 光 证明电池在正常工作 此时发光二极管的阳极电压为 Uout2 根据这些条 件对电路进行仿真 仿真结果如下所示 图 4 2 仿真波形图 4 3 仿真结果分析 观察仿真结果 Uout1 是二极管阳极电压 用来判断电池电路的工作方式 即是放电还是被切断 从仿真的结果可以看出 当输入为 12V 时也就是 当充 电电池的电压大于比较电压时 二极管两端电压从高电平开始逐渐降低 二极 管发光 证明电池正在处于逐渐放电过程 当输出 4V 时 也就是当电池的电 压小于比较电压时 此时二极管电压输出为低电平 二极管熄灭 证明放电电 路已被断开 有效的防止了电池的深度放电 Uout1 为二级放大器的输出电压 根据公式 Uo R2 R1 Ui 4 1 Uout1 R5 R4 Uo 4 2 可以计算出 Uout1 的电压 1 7V 左右 Uout1 为比较器输出的电压 当 V1 的电压大于比较器的电压时 OUT 的 输出只有一种情况 即为高电平 输出的电平理论值在 5V 左右 本科生课程设计 论文 11 第 5 章 课程设计总结 通过这次课设 我进一步体会到了工具的重要性 这包括软件操作 工具 书等方面 因为我们不可能学富五车 因而就有必要翻阅文献资料 如设计用 到的相关书籍 标准手册等等 同时 具备较好的计算机水平也会给我们带来 巨大的益处 比如数学公式的编辑 图形的绘制等等 但反过来说 通过这样 的课程设计 也会加深我们对工具的了解和形成对其客观的认识 我想这对我 们以后在工作和生活中有比较好的视野和思维是有巨大帮扶作用的 在本次的课程设计中 我查阅了大量的参考资料 对传感器有了更加深刻 的认识和了解 基本掌握了各种传感器的工作原理 能够分析不同类型的电路 图 弄懂它的工作过程 分析其主要的性能 尤其对关于力的测量有了更加清 楚地认识 能够设计简单的测力