小型称重系统的设计

第一章 小型称重系统的意义及任务1.1 小型称重系统的概述及意义定义：称重系统把现有各个生产环节的称重设备有机的组合到一个控制系统中，利用现代网络技术进行控制和管理。狭义的称重系统：利用简单的电子衡器（如：电子台秤，大型汽车衡等）增加控制系统和计算机称重管理软件实现某个生产环节的自动控制和管理功能。比如：企业生产中的配料、包装系统，进行控制、管理，实现称重数据的保存、管理、打印输出等功能。广义的称重系统：整个工厂的所有称重设备，通过现场总线或局域网方式进行控制和管理，它还可以向上位的MRPII或ERP系统提供数据和预留数据接口。现在，已经有许多自动化程度较高的企业应用了称重系统，例如：食品加工、石油化工、水泥制造、电力供应等行业。 电子秤 基于PLC的称重系统随着社会科技的发展，称重技术也得到了广泛的应用。称重工具已经从过去的“杆秤”、“磅秤”、“度盘指针秤”发展到现在的“电子秤”，以后称重工具的发展方向是利用核子技术“非接触测量”的核子秤。现在利用电子秤的多种智能接口和计算机的应用软件技术就可以组成一个功能强大的称重系统。利用这个称重系统就可以有效的提高企业智能化的科学管理，从而提高企业生产过程的管理和科学决策水平，提高企业的综合效益。 1.2 虚拟仪器虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一种新型仪器.在国外,虚拟仪器技术已经比较成熟了,由于其很强的灵活性,使得该技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年,虚拟仪器技术在国内的发展趋势也越来越收到重视。成熟的虚拟仪器技术由三大部分组：高效的软件编程环境，模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架，该课程设计的目的就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的了解。1.3 小型称重系统设计的任务 利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。 首先在multisim中设计出应变片的仿真模型和测量电路，然后在labview中利用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值，最后把设计好的子VI导入到multisim中以完成整个设计。 本课程设计分为两部分：一、测量电路的原理与设计 二：LabVIEW虚拟仪器的设计。这两部分具体要求和功能如下：一、测量电路的原理与设计1、 在multisim中设计出应变片的仿真模型和测量电路。2、 测量电路包括综合电路的设计和综合电路的仿真。3、 电压V用来模拟物体质量m。二、LabVIEW虚拟仪器的设计1、在LabVIEW中用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值。2、将设计好的子VI模块图标导入到Multisim中。1.4 小型称重系统设计的系统框图本系统总体框图如下：仪用放大电路比例放大电路电桥电路显示模块电桥电路：将电阻变化率转换成电压（或电流）。仪用放大电路：差分放大电路的作用是“滤去噪声，降低漂移”，反向比例放大电路的作用是“将双端输入变成单端输入并放大电压”。比例放大电路：方便调节，并将输出信号反相。显示模块：将做好的子VI模块化，即为综合电路中的XMM1。第二章 测量电路的原理与设计2.1 模型的建立 电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随着压力的变化而变化。对于金属导体，导体变化率的表达式为: (12) 式中：为材料的泊松系数；为应变量。通常把单位应变所引起电阻值相对变化称作电阻丝的灵敏系数。对于金属导体，其表达式为: K(12)所以: K在外力作用下，应变片产生变化，同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为R时，可得到应变值，根据应力与应变关系，得到应力值为: E式中：为应力；为应变量（为轴向应变）；E为材料的弹性模量（kgmm）。又知，重力G与应力的关系为 Gs式中：G为重力；S为应变片截面积。根据以上各式可得到：mg由此便得出应变片电阻值变化与物体质量的关系，即 RRmg 根据应变片常用的材料（康铜），取K=2，E=16300kgmm，s=100mm，R=348,g=9.8ms，R=（29.8348）（16300100）m=4.18510m。所以，multisim可用建立以下模型代替应变片进行仿真。模型如下在图中，R模拟的是不受压力时的电阻R，压控电阻用来模拟电阻值的变化R，V可以理解为物体的质量m（kg）。当V反接时，表示受力相反。2.2 测量电路的设计及原理 此部分包括电桥部分电路原理、放大电路原理、综合电路设计和综合电路仿真。2.2.1 电桥部分电路原理 电阻应变计把机械应变转换成R/R后，应变电阻变化一般都很小，这样小的电阻变化既难以直接精准测量，又不便于直接处理。因此必须采用转换电路，把应变计的R/R变化转换成电压或是电流的变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。I如图所示的直流电桥中URR4R3R2R1EDCB A当电桥平衡时，相对的两臂电阻值乘积相等，即： RR=RR U=设桥臂比n=R/R,由于RR,分母中RR可忽略，于是 UU电桥的灵敏度定义为：S=U分析该式发现： 1.电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高；但是供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以一般供电电压应适当选择。 2.电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，必须适当选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的灵敏度。 由 =0求S的最大值，由此得 =0 求得n=1时，S最大，也就是供电电压确定后，当R =R,R=R时，电桥的电压的灵敏度最大，此时可得到 U S= 由上式可知当电源电压U和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值。且与各桥臂阻值大小无关。 由于上面的分析中忽略了，所以存在非线性误差，解决的办法有： 1）提高臂桥比。提高了臂桥比，非线性误差可以减小。但从电压灵敏度S考虑，灵敏度降低了，这是一种矛盾，因此采用这种方法的时候应该适当提高供桥电压U。 2）采用差动电桥。根据被测试件的受力情况，若使用一个应变片受拉，另一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，成为半桥差动电路，则电桥输出电压U为 U=若R=R,则有 U= 由此可知，U和成线性关系，差动电桥无非线性误差。此时，电压灵敏度为S=，比使用一只应变片时提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。 若将电桥四臂接入4个应变片，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的应变片接入相对臂上，则构成全桥差动电路，如满足，则输出电压为U= 由此可知差动电桥的输出电压和电压灵敏度比用单片时提过了四倍，比半桥差动电路提过了一倍。 因为采用的是金属应变片测量，所以本设计采用全桥电路，能够有比较好的灵敏度并且不存在非线性误差。2.2.2 放大电路原理 放大电路主要采用如下图所示的仪用放大电路。 图仪用放大电路 图比例放大电路 该放大电路具有很强的共模抑制比。它由两级放大器组成，第1级由集成运算放大器A和A组成，由于他们采用同一型号的运算放大器，所以可进一步降低漂移。电阻R,R和R组成同相输入式并联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。第2级是由1个运算放大器A和4个电阻R,R,R和R组成反向比例放大器，将双端输入变成单端输出。阻值R=R，R=R，R=R。 根据运算电路基本分析方法，可得到输出电压 U=（1+2）(U-U) 为了方便调节，再加一级比例放大器，同时将仪用放大电路输出 的信号反向，如上图所示。R为调零电阻。2.2.3 综合电路设计 图-基于金属电阻应变片的全桥电路至此，基于金属电阻应变片的压力测量电路设计完成，如上图所示。图中的V，V，V，V指代的是同一电压V（考虑到方便电路绘制及保持电路元件符号不能重复，所以分开符号），电压V用来模拟物体质量m。由以上分析可知，采用全桥电路能够有比较好的灵敏度，并且不存在非线性误差，所以由4个应变片（两个受拉，两个受压）可组成全桥电路，应变片的受拉受压情况如图中标注。在图中，R为一调零电阻，用来调节电桥平衡。由于被测应变片的性能差异及引线的分布电容的容抗等原因，电桥的初始平衡条件和输出特性会受到影响，因此必须对电桥预调平衡，图中用了电阻并联法进行电桥调零。电阻R决定可调的范围，R越小，可调的范围越大，但测量误差也大。R可按下式确定 R 式中：r为R与R的偏差；r为R与R的偏差。此处的电阻值应变片的初始值。 在图中，R为增益调节电阻；R是放大电路调零电阻。电路中所选用的放大器是OP07CP，它是一种低噪声、低偏置电压的运算放大器。此外，二极管D和D可对电路起到保护作用。此外，当采用交流电供电时，由于导线间存在分布电容，这相当于在应变片上并联了一个电容，为消除分布电容对输出的影响，可采用电容调零，为采用阻容调零法的电桥电路，该电桥接入了T形RC阻容电路，可调节电阻使电桥达到平衡状态。2.2.4 综合电路仿真 将仪用放大电路的两输入端接地，滑动变阻器调到最小值，即使放大电路的放大倍数调到最大，然后调节，使电路的输出近似为零。放大电路部分调零完成后，再和电桥电路相连，将模拟物体质量的电压源的值设为零，调节，使电路的输出为零，从而完成电桥调零。电路参数调好以后，再以对电路进行仿真。1直流工作点分析当电路中模拟物体质量的电压源的值设为零时，选择菜单栏SimulateAnalyses下的“直流工作点分析”命令，观察此时综合电路中输出端16和仪用放大电路两输出端26和40的直流电压值，如下图所示。电路调零后，当物体的质量为零时，电路的输出端16的电压近似为零。直流工作点分析结果2直流扫描分析现在来分析当物体质量逐渐增加时，输出电压与质量的关系。对于本设计，也就是当模拟质量m的电压源的值V变化时，观察电路输出电压的变化情况。选择菜单栏选择菜单栏SimulateAnalyses下的“直流扫描分析”命令，弹出“扫描设置”对话框，在图中选择要扫描的直流源。在电路中把用一个电流源V代替，所以直流源就选vv。在图中选择观察输出点，输出节点应选节点16。参数设置好后，单击Simulate按钮，可得直流传输特性图，即质量变化时输出电压的变化曲线图。由图可知，输出电压的线性度较好。质量变化时输出电压的变化曲线3交流分析将仪用放大电路的输入端改接交流源，电路的输出节点依然选择节点16，观察电路的交流特性，如图可看到放大电路的通带放大倍数约为100倍，在输入信号的频率大于1kHz时，放大倍数有所下降。放大电路交流分析结果4傅里叶分析设放大电路的输入端接的信号源是50Hz，100mV的交流源，对放大电路进行傅里叶分析，如图所示。输出节点选择节点16，仿真结果如图所示，电路的总谐波失真THD很小，各次谐波的幅值都很小。当交流源的幅值改为1V以后，再对电路进行傅里叶分析，结果如图所示。当交流源幅值增加后，各次谐波的幅值明显增加，电路总交流源的傅里叶分析结果5参数扫描分析对电路进行参数扫描，分析当电阻R变化时，放大电路放大倍数的变化情况。参数扫描的设置如图所示，输入变量选择输出节点电压与放大电路两个输出节点电压之差的比值即为该放大电路的放大倍数，仿真结果如图所示，可见差分运算放大器中间电阻的阻值越大，放大倍数越小。参数扫描分析结果6温度扫描分析对电路进行温度扫描分析，分析环境温度变化时，电路会有何种影响。如图所示，可见当温度变化时，电路的输出电压有微小的变化。温度扫描分析结果第三章 LabVIEW虚拟仪器的设计LabVIEW是一个使用图形符号来编写程序的编程环境，它是为科学家和工程师等设计的一种编程开发环境和运行系统。通过使用LabVIEW功能强大的图形编程语言能够成倍地提高生产率，人们也称这种语言为G语言。使用传统的编程语言需要花费几周甚至几个月才能编写的程序，用LabVIEW只需几个小时就能完成。因为labVIEW是专为测量、数据分析并提交结果而设计的，且LabVIEW拥有如此功能众多的图形用户界面又易于编程，使得它对于仿真、结果显示、通用编程甚至讲授基本编程概念也是同样很理想的语言。与标准的试验室仪器相比，LabVIEW提供了更大的灵活性，我们可以定义仪器的功能。LabVIEW程序是可以跨平台移植的，可以应用在许多工业上得操作。3.1 数据显示子程序设计根据设计的要求，在显示模块中需要显示电子电路的输出电压Uo；应变片受压后电阻的变化的绝对值R和最终度量的量重物的质量m。此外，在显示模块中，又加入一些参数：灵敏系数k，弹性模量E，应变片截面积S和电阻值R。由上节的分析可知：R =Uo118.4 m=根据上面2个式子和对labVIEW的基本介绍，可建立一个子VI，具体步骤如下所述。1） 选择“开始”菜单National Instruments labvIEW 8.2命令，在Getting Stared窗口左边的Files控件里选择Blank VI，建立一个新程序。2） 框图程序的绘制。图中的Uo是Multisim中所设计的电路图的输出电压。添加方法为在前置板中右击打开控制模板，选择图中的数字控制元件，名称修改为Uo，Uo在框图面板下以图标显示。由于要节省空间，在图标上右击，取消选择View As Icon命令，则显示形式如图所示。一下框图都是采用非图标显示形式。 常量9.8是重力加速度g的数值，程序中除以9.8后输出为质量，单位是kg，再乘以1000后，输出单位是g。其他各常量如图所示，在各常量上右击选择创建指示器，并修改名称，例如，弹性模量E和应变片面积S等。运算函数，如乘除运算等可在功能面板中选择，如图所示。放置好元件后，根据功能完成连线。最后，输出端如图中所示的Meter指示器座位质量的显示仪表。以上各模块均为橘黄色，数据类型为双精度类型(R为R)。子VI设计图接下来是建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。输入与Uo关联；输出的6个端子分别与输出质量、灵敏度、弹性模量、电阻、电阻变化的绝对值、应变片的面积相关联。完成上述工作后，将设计好的VI保存。下次调用该VI时，图标与端口如下图所示。子VI图标与端口3.2 接口电路的设计与编译关于接口的研究及LabVIEW仪器向Multisim的导入的原理请参照第7章的内容。本设计中接口电路的设计与编译分以下三部：1） 把Multisim安装目录下的SamplingLabVIEW InstrumentsTemplatesInput文件夹复制到另一个地方。2） 在LabVIEW中打开步骤1）中所复制的StarterInput Instruments.Ivproj工程。接口电路的设计在Starter Input Instruments.vit中进行。3） 打开Starter Input Instruments.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的Update Data选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中点击选择Select a VI命令，把LabVIEW完成的子VI添加在Update Data框中即可。此时，只是添加，不可修改框图面板的原状，如下图所示。 显示仪板的程序框图由图可知，子VI输出端有6个输出端口，在每个端口处点击创建指示器。在输入端口，需要解决数据类型的匹配问题。根据系统原始的接口的设置，从Multisim 向LabVIEW中虚拟仪器输入的是一个多维数组（它的数据类型是不能改变的）。为了和设计的子模块输入数据的类型相匹配，需要加一些数据转换器，把两个数据毒端口连接起来，如图所示，data后的第1个程序模块是波形建立模块，接着的是提取Y值模块。实现数据类型的匹配还有另外两种方法，这将在以后章节的设计实例中介绍。程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。完成后选择重命名，保存为proj1.vit。4） 编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。打开subVIs下面starter input Instrument_multisimInformation.vi的后面板，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标识，例如，一起设为Plotterhxx11。同时，把输入端口数设为1，因为只有一个电压输入；把输出端口设计为0，此模块不需要向Multisim 输出信号。设置完后另存为Proji1_multisimInformation.vi。注意，后半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。5） 双击Build Specifications，选择Source Distribution命令，选择Properties命令，在保存目录和支持目录中都将编译完成后要生成的库文件重名，例如，命名为proj1.lib。同时，在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目。属性设置完成并对工程进行保存后，再在Source Distribution上点击，在弹出的菜单中选择Build命令即可。6） 编译完成后，在Input文件夹下生成一个build文件夹，打开后把里面的文件复制到Electronics WorkbenchEWB89下的Ivinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入步骤。再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单就会显示模块plotterhxx11。 第四章 实验数据处理及仿真结果4.1 实验数据的处理 下表为仿真实验而得的数据，包括电阻变化和输出电压值。m/kgR=0.mU/Vm/kgR=0.mU/V0.020.9.913100.120.59.477100.040.19.825100.140.69.39100.060.29.738100.160.79.303100.080.39.651100.180.89.216100.100.49.564100.200.99.12910 使用最小二乘法对以上数据进行拟合，设拟合直线方程式为：y=kx+b其中，y表示输出电压U，x表示电阻变化R。 实际校准测试点有10个，第i个校准数据y与拟合直线上相应值之间的残差为：= y-(K x+b)最小二乘法拟合直线原理是使为最小值，也就是使对K和b的一阶偏导数等于零，即 =2 =2=0从而得到 K= b=代入数据，近似求得：K118.4 b0即y=118.4x。换为电压U和电阻变化R的关系为： U=118.4R (1)再根据电阻变化与压力的关系： 便可以得出电阻变化与压力关系；即： R= (2)把式(2)代入式(1)中可得输出电压变化与压力间的关系 U=将E=16300,S=100,R=348,K=118.4等常数带入到上面两式得到R= U=4.2 最终仿真结果通过以上设计及分析，所有关于此称重系统的设计完成。打开Multisim10.0，导入后的显示模块。连接设计好的电路和显示模块，电路调零后，进行仿真，验证电路设计及显示模块的设计是否合理。下图为60g和80g重物的仿真图，可以看出设计基本符合要求。 60g重物仿真图 80g重物仿真图第五章 小型称重系统设计小结5.1 设计过程中遇到的问题及解决方案。1、 在分析