传感器综合实验--电子称的设计与制作资料

1、2021/2/111项目一项目一:电子称的设计与制作电子称的设计与制作技能训练目标要求技能训练目标要求: : 1. 1.了解传感器的作用与工程应用情况了解传感器的作用与工程应用情况 2. 2.了解传感器的分类了解传感器的分类 3.3.了解应变片的原理与用途了解应变片的原理与用途4. 4.学会应变测量电路的设计与制作学会应变测量电路的设计与制作5. 5.掌握电桥测量电路的制作要领掌握电桥测量电路的制作要领2021/2/1121.1 1.1 传感器基础知识传感器基础知识1.1.1 1.1.1 概述概述 1.定义定义 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些传感器就是能感知外界信息并能按一定规律

2、将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示:物理量物理量电量电量2021/2/113 2.传感器的组成传感器的组成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量件的作用是感受被测物理量, ,并对信号进行转换并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配行放大、阻抗匹配, ,以便于后续仪表接入。如下以便于后续仪表接入。如下图的温度电阻。图的温度电阻。 dV2021/2/1143.3.传感器的分类传感器的分类1)1)按被测

3、物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光光: : 亮度亮度, ,色彩色彩2021/2/115机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等。流体式等。2)2)按工作原理分

4、类按工作原理分类: :切削力测量应变片切削力测量应变片 动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器 2021/2/116能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .2021/2/1174)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关

5、系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如变换。如: :水银温度计。水银温度计。结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。 2021/2/1185.传感器的命名传感器的命名 由主题词加四级修饰语构成。由主题词加四级修饰语构成。 主题词主题词传感器传感器;第一级修饰语第一级修饰语被测量被测量,包括修饰被测量的定语包括修饰被测量的定语;第二级修饰语第二级修饰语转换原理转换原理,一般可后续以一般可后续以“式式”字字;第三级修饰语第三级修

6、饰语特征描述特征描述,指必须强调的传感器结构、指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征,一一般可后续以般可后续以“型型”字字;第四级修饰语第四级修饰语主要技术指标（量程、精确度、灵主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。敏度等）。 2021/2/1191.1.2 传感器的主要特性参数传感器的主要特性参数 1.灵敏度灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率入与输出特性曲线的

7、斜率,如右图所示如右图所示,可表示为可表示为: dxdys x0ydydx2021/2/1110 2. 分辨率分辨率 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增加加,直到可以测量到输出的变化为止直到可以测量到输出的变化为止,此时的输入此时的输入量就是分辨率。可以用绝对值量就是分辨率。可以用绝对值,也可以用量程的百也可以用量程的百分数来表示。灵敏度愈高分数来表示。灵敏度愈高,分辨率愈好。分辨率愈好。2021/2/1111 3. 线性度与非线性误差线性度与非线性误差 线性度是用实测

8、的检测系统输入线性度是用实测的检测系统输入输出特性曲输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的来表示的,如下图所示。如下图所示。 线性度可用非线性线性度可用非线性误差来表示误差来表示,计算式为计算式为:%100FSmfYE2021/2/1112 4. 迟滞迟滞 迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间,输入输入输出特性曲线不一致的程度。如右下图所示。输出特性曲线不一致的程度。如右下图所示。通过实验通过实验,找出输出量的找出输出量的这种最大差值这种最大差值,并以满量程并以满量程输出输出YFS的

9、百分数表示的百分数表示,如下式如下式: %100FSmtYE2021/2/11131.2 检测系统的基本组成检测系统的基本组成 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成。检测器、测量电路和显示记录装置等几部分组成。检测系统的组成框图如下系统的组成框图如下 :被测量传感器测量电路电源指示仪记录仪数据处理仪器2021/2/11141.3 相对误差相对误差 相对误差是仪表指示值的绝对误差相对误差是仪表指示值的绝对误差与被测量真与被测量真值值x0的比值的比值,常用百分数表示常用百分数表示,即即 相对误差比绝对误差能更好地说明

10、测量的精确程相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。在上面的例子中度。在上面的例子中: %100%100000 xxxxr%01. 0%10010001. 01r%005. 0%10020001. 02r2021/2/1115 引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值,通通常以百分数表示。引用误差常以百分数表示。引用误差 如果以测量仪表整个量程中如果以测量仪表整个量程中,可能出现的绝对可能出现的绝对误差最大值误差最大值m代替代替,则可得到最大引用误差则可得到最大引用误差r0m。 %1000Lr%1000Lrmm对一台确定的仪表或一个检测系统对一台确定的仪表

11、或一个检测系统,最大引用误最大引用误差就是一个定值。差就是一个定值。 2021/2/11161.4 1.4 电阻应变应变片电阻应变应变片 电阻应变片基于金属导体的应电阻应变片基于金属导体的应变效应变效应, ,即阻值随机械变形的变化即阻值随机械变形的变化而发生变。而发生变。 2021/2/11171) 1) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdR2021/2/1118dAdAldlRdR有有:金属丝：金属丝：2rA

12、drdrldlRdR2金属丝体积不变金属丝体积不变: :ldlrdr2021/2/1119有有:dRdR2对金属材料对金属材料,导电率不变导电率不变:)21(RdR金属丝应变片金属丝应变片:2021/2/1120应变计金属应变计金属应变计2021/2/1121半导体应变计半导体应变计drdrldlRdR2简化为简化为:dRdRE 优点优点: :灵敏度大灵敏度大; ;体积小体积小; ; 缺点缺点: :温度稳定性和可重复性不如金属应变片。温度稳定性和可重复性不如金属应变片。2021/2/11223) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数 u其它表示应变计性能的参数（工作温度、其它表示应变计性能的

13、参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。度等）。 u几何参数几何参数: :表距表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b,b,制造厂常用制造厂常用 b bL L表示。表示。u电阻值电阻值: :应变计的原始电阻值。应变计的原始电阻值。 u灵敏系数灵敏系数: :表示应变计变换性能的重要参数。表示应变计变换性能的重要参数。 2021/2/11234) 4) 应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(324131422021/2/11245)5)应用应用: :测力测力2021/2/11256)6)标准产品标准产品2021/

14、2/11267)7)案例案例: :桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量2021/2/1127案例案例: :电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。2021/2/11281.5 电子称的制作电子称的制作 1、原理、原理 如图所示如图所示,采用采用E350ZAA箔式应变片箔式应变片,其常态阻值为其常态阻值为350。2021/2/11292、元件选择、元件选择1）IC1选用选用ICL7126集成块集成块;IC2、IC3选用高精度选用高精度低温标精密运放低温标精密运放OP07;IC4选用选用LM3851.2V。2）传感器）传感器RI选用选用E350ZAA箔式电阻应变片箔

15、式电阻应变片,其其常态阻值为常态阻值为350。3）各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。）各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。4）RPI选用精密多圈电位器选用精密多圈电位器,RP2、RP3经调试后经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。可分别用精密金属膜电阻代替。5）电容中）电容中C1选用云母电容或瓷介电容。选用云母电容或瓷介电容。2021/2/1130 3、制作、制作 1）电子线路的制作）电子线路的制作元件布置元件布置:横平竖直横平竖直,间距适当间距适当;锡焊锡焊:控制焊点大小控制焊点大小,注意虚焊注意虚焊; 2）变形钢件的制作）变形钢件的制作 可用普通钢锯条制作可用普通钢锯条制作,先将锯齿磨平先将锯齿磨

16、平,再将锯条加热再将锯条加热弯成弯成“U”形形,并在对应位置钻孔并在对应位置钻孔,以装显示部件。然后再以装显示部件。然后再进行淬火和表面处理进行淬火和表面处理,秤钩粘于钢件底部。应变片用应秤钩粘于钢件底部。应变片用应变胶粘剂粘接于钢件变形最大的部位。变胶粘剂粘接于钢件变形最大的部位。2021/2/1131 4、调试、调试1）在秤体自然下垂无负载时调）在秤体自然下垂无负载时调RP1,显示为零显示为零;2）再调整）再调整RP2,使秤体承担满量程使秤体承担满量程2千克时显示满量千克时显示满量程值程值;3）然后在秤钩下悬挂）然后在秤钩下悬挂1千克的标准砝码千克的标准砝码,观察显示器观察显示器是否显示是否显示1.000,如有偏差如有偏差,可调整可调整RP3值值,使之准确显使之准确显示示1.000;4）重新进行）重新进行2、3步骤步骤,使之均满足要求为止使之均满足要求为止;5）准确测量）准确测量RP2、RP3值值,用固定精密电阻代替用固定精密电阻代替;2021/2/1132思考题思考