电阻式传感器应用电路设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2012 年 6 月 25 课 程 传感器课程设计 题 目 电阻式传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 090601240126 指导教师 任务书 课程课程 传感器课程设计传感器课程设计 题目题目 电阻式传感器应用电路设计电阻式传感器应用电路设计 专业 姓名 学号 主要内容 主要内容 本设计是基于电阻式传感器的应用电路设计 其主要包括三个环节即 敏感环 节 金属应变片全桥电路 放大环节 放大器 转换处理环节 A D 转换和单片 机处理 金属应变片感受外界力的作用 将非物理参量转换为电参量 然后经后续 电路放大 A D 转换和单片机处理显示 基本要求 基本要求 1 设计一个电阻式传感器的应用电路 并对本设计进行测试 评估 2 说明所用传感器的基本工作原理 画出应用电路电路图 写明电路工作原理 注明元器件选取参数 进行方案比较 主要参考资料 主要参考资料 1 刘国钧 陈绍业 王凤翥 图书馆目录 M 北京 高等教育出版社 1957 15 18 2 刘润华 刘立山 模拟电子技术 J 自动化仪表 2005 6 21 23 3 黄贤武 郑筱霞 传感器及其应用 M 北京 高等教育出版社 2004 3 22 28 4 张刚毅 单片机原理及应用 M 北京 高等教育出版社 2006 8 295 297 完成期限 2012 6 25 2012 6 29 指导教师 专业负责人 2012 年 6 月 25 日 传感器课程设计 摘 要 在一些工程实践中 我们不免对力进行测量 在众多测力传感器中 电阻式 传感器以其体积小 灵敏度高 频率响应范围大等众多优点得到了广泛的应用 本设计选用应变式电阻传感器 应变式电阻组成全桥差动电桥 当电阻受到 力的作用时 电阻会发生形变导致阻值发生变化 从而使电桥失去平衡产生一个 输出值 输出值经放大器放大后 经 A D 转换送入单片机 然后由单片机分析处 理显示 本设计中经过多次测试 证实该系统能长时间稳定工作 完全满足设计要求 指标 关键词 应变式电阻 放大器 单片机 A D 转换 传感器课程设计 目 录 一 设计要求 设计要求 1 1 功能与用途 1 2 课题意义及产品发展现状 1 二 方案设计二 方案设计 1 1 方案说明 1 2 方案论证 2 三 电阻应变片式传感器工作原理三 电阻应变片式传感器工作原理 2 四 电路的工作原理四 电路的工作原理 3 五 单元电路设计 参数计算和器件选择五 单元电路设计 参数计算和器件选择 4 1 单元电路设计 4 2 参数计算 6 3 器件选择 6 六 六 总结总结 7 参考文献参考文献 8 传感器课程设计 1 电阻式传感器应用电路设计 一 设计要求 1 功能与用途 把位移 力 压力 加速度 扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器 它主要包括电阻应变式传感器 电位器式传感器 见位移传感器 和锰铜压阻传感 器等 电阻式应变式传感器与相应的测量电路组成的测力测量仪表是冶金 电力 交通 石化 商业 生物医学和国防等部门进行自动称重 过程检测和实现生产 过程自动化不可缺少的工具之一 2 课题意义及产品发展现状 随着人们对测量要求的提高 传统的机械测力方式已不能满足人们的要求 电阻式传感器以其体积小 灵敏度高 频率响应范围大 可靠性好等众多优点得 到了广泛的应用 二 方案设计 1 方案说明 方案一 压电式测力 顺压电效应 某些电介质 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 内部就 产生极化现象 同时在它的一定表面上便产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又重新恢复到不带电状态 当作用力方向改变时 电荷极性也随之改变 这种机 械能转化为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应 参考电路如图 1 所示 特点 压电式传感器具有响应频带宽 灵敏度高 信噪比大 结构简单 工 作可靠 重量轻等优点 应用领域 压电传感元件是力敏感元件 它可以测量最终能变换为力的非电 物理量 例如动态力 动态压力 振动加速度 在工程力学 生物医学 石油勘 探 声波测井 电声学等领域得到了广泛的应用 缺点 价格昂贵 且压电系数低 灵敏度低 外接电路复杂 传感器课程设计 2 图 1 方案一原理框图 方案二 电阻应变片式测力 电阻应变片式传感器的原理 导体或半导体材料在外力 拉力或压力 的作 用时 产生机械变形 导致其电阻值相应发生变化 这种因形变而使其阻值发 生变化 参考电路如图 2 所示 优点 应变灵敏系数大 体积小 电阻率高而稳定 频率响应范围大 无非 线性误差 具有温度补偿的作用 缺点 材料的温度系数大 应变时非线性比较严重 应用范围受到限制 图 2 方案二原理框图 2 方案论证 通过方案比较 由于方案二的抗干扰能力较强 电路实现简单 故选用方案 二 电阻应变片式应用和测量范围广 精度和灵敏度高 频率响应特性好 对复 杂环境的适应性强 经济实惠 三 电阻应变片式传感器工作原理 设一根金属导体的电阻 R 为 1 如果对其均匀用力 则 L A 的变化 d dL dA 将引起电阻 dR 的变化 2 其相对变化量为 3 若电阻丝是圆的 则 r 为电阻丝的半径 则 2 r ArdrdA 2 4 压电传感器放大电路A D 转换显示 电阻传感器放大电路A D 转换显示 A L R dA A L d A L dL A R 2 d A dA L dL R dR d r dr A dA 2 传感器课程设计 3 令 则为金属丝轴向应变 令 则为金属丝径向应变则 x y 5 将 4 和 5 代入 3 中 6 7 令 8 9 根据应力与应变的关系 得 10 式中 试件的应力 试件的应变 E 试件材料的弹性模量 kg mm2 由此可知 应力值 正比于应变 而试件应变又正比于电阻值的变化 dR 所以应力正比于电阻值的变化 这就是应变片测量应变的基本原理 四 电路的工作原理 电路的工作原理如图 3 所示 应变式电阻组成全桥差动电桥 当电阻受到力 的作用时 电阻会发生形变导致阻值发生变化 从而使电桥失去平衡产生一个输 出值 输出值经放大器放大后 经 A D 转换送入单片机 然后由单片机分析处理 显示 4 个电阻应变片接入全桥差动电路中 在未受外力时 电桥处于平衡状态 其输出为零 为 11 平衡时 UO 0 所以 R1R4 R2R3 12 当受到外力作用时 即两个受拉 两个受压 且满足 R1 R2 R3 R4 则 输出电压为 13 X L dL y r dr d R dR X 21 xX d R dR 21 x y x S d K 21 SS K R dR E 1 1 R R EUO 43 3 21 1 RR R RR R EUO 4433 33 2211 11 RRRR RR RRRR RR EUO 传感器课程设计 4 14 差动全桥电路 UO与 成线性关系 不存在非线性误差 灵敏度高 是单 1 1 R R 臂电桥的四倍 还可以起到温度补偿的作用 其输出电压 UO为毫伏级别需经 放大器 A1 放大到伏级别 随后进行 A D 转换变换为数字量送入单片机 然后由 单片机控制显示器显示 图 3 整体电路连接图 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 1 单元电路设计 1 全桥差动电路 4 个电阻应变片接入如图 4 所示的全桥差动电路中 在未受外力时 电桥处 于平衡状态 其输出为零 当收受到外力作用时 原平衡被打破 电桥输出一个 电压值 R1R4受拉 R2R3受压 变化量都为 R 图 4 全桥差动电路图 传感器课程设计 5 2 放大电路 放大环节选用如图 5 所示的基本差分放大器 有利于抑制共模干扰 提高电 路的共模抑制比 和减小温度漂移 图 5 放大环节电路图 3 转换 处理环节电路 如图 6 所示的电路由 ADC0809 SUN7474 STC89C52 组成 放大后的电压 值为模拟量 不能直接送入单片机处理 须经 A D 转换为 8 位数字量后送入单片 机处理并显示在 LCD1602 上 图 6 转换 处理环节电路图 传感器课程设计 6 2 参数计算 1 全桥差动电路 输出电压为 15 1 1 R R EUO 2 放大电路 由于电路完全对称 所以 16 OO U R R V 6 7 由所选电阻参数的放大增益为 500 3 器件选择 1 R1 R4为电阻应变片 应变灵敏系数大 并在所测应变范围内保持为常数 电阻率高而稳定 以便于制造小栅长的应变片 电阻温度系数要小 抗氧化能力 高 耐腐蚀性能强 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度 加工性能良好 易 于拉制成丝或轧压成箔材 易于焊接 对引线材料的热电势小 2 R5 R9为普通电阻 A1 为 LM324 运放 LM324 系列由四个独立的 高增益 内部频率补偿运算 放大器 3 U1 为 ADC0809 模数转换器 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 内部结构如图所示 它由 8 路模拟开关 地址锁存与译码器 比较器 8 位开关树型 A D 转换器 逐次逼近寄存器 逻辑控制和定时电路组成 4 U2 为 STC89C52 单片机 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微 控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高 灵活 超有效的解决方案 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 内置 4KB EEPROM MAX810 复位电 路 三个 16 位 定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模 式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电 保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下 传感器课程设计 7 一个中断或硬件复位为止 最高运作频率 35Mhz 6T 12T 可选 5 U3 为 SUN7474 触发器 用来分频的 ADC0809 频率受限 通常使用频 率为 500KHZ 用 SUN7474 分频 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 R1 R4金属应变片1K4无 R5 R9电阻1K5无 A1运放LM3241无 U1A D 转换器A DC08091无 U2单片机STC89C521无 U3触发器SUN74741无 C1 C2瓷片电容30p2无 Y1晶振12M1无 C3极性电容22u 50V1无 六 总结 电阻应变式传感器的优点是精度高 测量范围广寿命长 结构简单 频响特性 好 能在恶劣条件下工作 易于实现小型化 整体化和品种多样化等 本设计采 用全桥差动电路 消除了非线性误差 还能起到温度补偿的作用 在放大和转换 环节均采用了高性能的芯片 从而避免了搭载电路的不稳定 整套方案能长时间 稳定工作 完全满足设计要求指标 通过本次设计 让我们加深了对电阻式传感器的认识和了解 同时在设计过 程中也很多收获 首先 在制作电路前必须把原理搞清楚 确保方案没有错误 同时深刻理解 锻炼了我们分析和解决问题的能力 其次 我们的基本理论都是 采用所学知识 让我们深刻认识理论与实践相结合的重要性以及理论与实践存在 的差异性 也让我们学会采用不同的途径查询所需资料 并认真学习 本次课程 设计过后 我们巩固了电路的基础知识 以及原件选择方面的知识 受益匪浅 传感器课程设计 8 参考文献 1 刘国钧 陈绍业 王凤翥 图书馆目录 M 北京 高等教育出版社 1957 15 18 2 刘润华 刘立山 模拟电子技术 J 自动化仪表 2005 6 21 2