电阻应变式载荷传感器及测试校准系统

1、南京航空航天大学综合课设报告题目：电阻应变式载荷传感器及测试校准系统学院：自动化学院专业：测试计量技术及仪器组员:2014年6月25日检测技术综合课设、设计内容1、设计一个电阻应变式载荷传感器及传感器特性自动测试校准系统。应用力学、 传感器技术等相关知识设计一个载荷传感器，要求使用AUTOCAD绘制传感器机械图，分析推导应变和载荷的关系。 责任设计人：王伟强。2、设计传感器调理电路，要求电路在满足一定测试精度的前提下，尽可能简单， 但可以设计两个以上的电路。要求输出电压范围为 -3V3V。责任设计人：陈涛。3、设计51单片机应用程序，实现电压信号的采集和数字低通滤波处理，显示载荷 大小（注意不

2、是电压大小），并将数据通过RS232接口传送给PC机。责任设计人:朱浪。4、编写虚拟仪器程序，实现与单片机的通讯，完成校准和对传感器静态特性曲线 的显示，计算传感器的线性度（用最小二乘线性度、或端基线性度表示）、重复误差 等静态指标。（拓展）责任设计人。二、传感器结构设计1.应变片的设计（1）应变片工作原理电阻应变敏感元件的转换原理是基于导线的电阻 -应变效应。由金属导体的电阻定律知，对于长度为L、截面积为A、电阻率为 的金属丝，其电阻R L/A（式 2-1）结合材料的泊松比定律，经数学变换得金属丝电阻应变特性dR/R （1 2 ） x d /（式 2-2）则金属丝灵敏系数Ks（式 2-3）故

3、有R/R Ks x（式 2-4）另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片R/ R K x（式 2-5）其中K p Ks（2）应变片的基长查阅资料可知，为了使测量误差减小，将sin2/10展开为级数，并略去高阶小量后，可得（式 2-6）粘贴在一定材料试件（为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长l0和频率f的增加而增大。因而在设计、应用应变片时，就可按上式给定的三者的max1 6 e10（式 2-7）其基长l0应尽量选取短的，这样可以更真实地测出被测部位的应变值,以提高测量精度。对于钢材,5000m/s，若令精度e 0.5%，最高工作频率fmax25kHz代入上式可得1 max<6

4、e ,：6e1.1cm1 0 f（式2-8 ）故取应变片栅长l0 1cm o(2)传感器弹性元件的设计我们组选择设计的是量程为10kg的梁式传感器，但由于普通的实心梁式传感器 具有传感器输出随载荷位置的变化而变化这一缺点，我们选择使用如图所示的梁式 结构：在板状梁上有两个孔，在梁的端部有集中力作用时，孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的内壁(其实黏贴在内表面也可以)，应变片处于相反的应力区内，当上表 面应变片变形为拉伸时，下表面则为压缩变形，四个应变片组成差动电桥，输出特 性的线性度好。另外，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好，滞后小。根据应力分布图可以看出，受力点位置变化时，一孔的弯矩增加，另

5、一孔的弯矩减小，可在桥 路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。图2双孔梁受力分析如下：可以把弹性体看作是上、下对称的平行梁式结构，该结构属于3次超静定问题。 即此结构上的未知约束反力的数目比能列出的独立静力平衡方程的数目多三个。由 理论力学可知：“限制物体某些运动的条件称为约束”。物体与约束之间相互作用着 力，约束给物体的力限制物体的某些运动。“约束给被约束物体的力称为约束反力”。 例如单悬臂梁结构见图9(a)，其一端固定，另一端为自由端。当自由端作用力P时, 固定端约束该梁在水平、垂直方向的移动及相对转动。固定端给横梁的约束用约束 反力X、丫、M表示。如图9(

6、b)所示。取坐标系xOy，此力系为平面一般力系，能 列三个独立平衡方程来求解三个约束反力。即：x 0X=0y 0 Y P 0, Y PM00 M'- PL =0, M' PL(式 2-9)此结构为静定结构。根据上面分析，我们可将图8的结构简化为下图所示的图3计算简图。在上、下梁的固定端作用六个约束反力，它们分别 是：X1、Y1、 M1 （作用在上梁）X2 、Y2、M2 （作用在下梁） 此力系仍是平面一般力系，仅用静力平衡方程只能解出三个约束反力，其余三个约 束反力需用材料力学办法才能求解。求解过程较复杂，我只引用其结论，在力P 单独作用下，当t1/t2 很小时，有：X! = X

7、= PL/2H（H为上下臂梁的高度）Y1=Y2 =P/2M1=M2=PL/4（式 2-10）载荷P及约束反力均为作用在梁上的外力，要讨论梁的变形须分析作用在梁上各横 截面上的内力。由于此结构上下对称，且结构参数均相同，所受外力也相同，我只 研究上梁任一横截面上的内力。 用材料力学的分析方法，为显示出截面上的内力，沿面 aa 假想地把梁分成两部分， 并以左段为研究对象。则： 由于原来的梁处于平衡状态， 所以梁的左段仍应处于平衡状态。 作用于左段上的力， 除外力X!、Yi、Mi外，在截面aa上还有右段对它的作用内力，把这些内力、外力 分别投影于 x 轴、 y 轴上，其总和应等于零。由 x 0 ，得

8、：N Xi 0 N Xi （横截面 aa 上的轴力）由 y 0 ，得：Y Q 0Q=Yi（横截面aa上的剪力）若把左段上的所有外力和内力对截面 aa的形心0取矩，其力矩总和应等于零。一 般说，这就要求在截面aa上有一个内力偶矩 M由 M 0 0 得：Yix Mi M 0式 2-ii )因为在外力作用下，变形主要产生在梁深最小的截面附近，因此可以认为截面A-A在变形后仍保持为平面且该截面的转角不影响截面右边的应力场，那么令 A-A 截面的转角为零。可以认为左段上的约束反力作用在A-A截面上。由于轴力和剪力对梁的变形影响很小，故在此仅讨论弯矩M所产生的变形。由上式得出:M Y1x M1（式 2-1

9、2）将Mi PL/4和Yi P/2 代入上式得：MPL/4 Px/2（式 2-13）PL /40PL/4（式 2-14）E=72GPa假设黏贴应变片处的梁孔的截面的宽度为b,高度为h，则W bh2/6，由（式 2-15）（式 2-16）x =0 时， Mx = L/2 时，Mx = L 时， M于此传感器的量程是0100N，在四处贴应变处最大的应变为:& 1=（PL2+M）/EW其中 P=100N,M=PL/4而且 c =E£< （T取 L2=150mm L=100mm b=30mm h=3mm H= 46mm代入（式2-16）得6 =64.8MPa< 110MP

10、a满足要求。用 CAD绘得结构图如下:(3)应变片的黏贴工艺在处理好底层的弹性元件上，戈収子贴片的定位线，经清洗和干燥后，在贴片处 均匀地涂一层贴片胶，适当时间后按给定的方位将应变计准确地放在粘贴部位上， 而后在应变计上盖上一层氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一个方向碾压，挤出气泡 和过量的粘接剂，保证胶层薄而均匀。然后在上面放一块硅橡胶并用夹具夹紧放入 干燥箱进行固化处理。贴片时胶层的厚度必须严加控制，片基和粘接剂胶层厚度对于减少蠕变有非常 重要的影响，并也使粘结强度增高，更能准确地传递试件的应变。在实际工艺过程 中胶层的厚度还受到其它因素的限制，例如绝缘电阻，因而也下能无限制地薄，否 则将降低

11、其绝缘电阻造成传感器性能不稳定。贴片之后应进行初步检查，检查基底，盖底有无损坏，敏感栅是否变形，贴片 方位是否正确，有无断路、短路，有无气泡，有无局部未贴牢，贴片后电阻值变化 不能太大(一般变化不大于土 0.5 Q)等。粘贴后的结构如下：(3)总结与体会我觉得一个系统的设计，第一步原理设计很关键，虽然我们的知识还不太扎实，不过在大 神的指导下，我们可以自己画梁，取尺寸并计算，可以利用简单的运放电路实现放大功能。设 计的过程大神让我们思考了各类方案的优缺点，虽然最后已经确定了使用某种方案。但是各种 方案的提出和对比及选择， 才是对我们各类知识真正的考察， 我们还需要丰富知识并积累经验。三、设计传

12、感器调理电路（1）仪用放大器 仪用放大器：恒流源电路图一Ec压阻式传感器I1供电电流l=510mA放大电路放大倍数为要达到放大器的放大要求则R6与Rg的比值大小为13216倍左右另：恒压源供电:采用5V恒压源供电电桥部分可以通过 R5调零，即当无载荷时，可以通过调 节R5是传感器输出为零。调理部分是一个差动放大器，调节输出端的滑动变阻器 即可以调节放大倍数到所要求的值。首先在托盘上放1kg的砝码，将输出电压调到0.3V，在放2kg,将输出电压调到0.6V，依次正反行程调节几次则U out输出与载荷 成线性关系，载荷从010kg对应的电压在03V。输出电压uk P(L2 LJUi一2 EWu 取

13、 5V,k=2,E=7 1010N/m 2 丄2-L|=55-30=25mm, H=20mm,b=20mm, D=15mm ， 贝U Ui=2.32X 10-6P对应载荷10kg时输出电压Ui=2.32X 10-6 X 10X 9.8V=2.27X 10-4V，要输出3V，则放大倍数A=3_42.27 10413215.8，即调理电路的放大倍数为13215.8电源的选择：恒流源能提供固定电流， 且内阻极大，常常运用在电子电路中用来稳定偏置电流或作为放大器的有源负载，可大大提高电路的稳定性和输出增益。但是实际 应用当中恒压源应用得更广泛。因为恒压源在成本上比恒流源要低很多，具有较强 的价格优势。

14、(2)电路特性与原理特性：由于仪用放大器是一种经过优化处理，专门设计的精密差分放大器，所 以它具有很多独特的优势：高共模抑制比、较小的线性误差、高输入阻抗、低噪声工作原理：仪用放大器是在差动放大器的基础上发展而来，其内部是由三个运 放和一些精密电阻构成，但实际使用电路如下：当调零电阻的指针指向中间位置时，放大器的输出应该为零。实际输出不为零，可 通过调节调零电阻的指针左右滑动来调零。测量放大器中，U3和U4是差模输入和差模输出的交叉耦合前置放大器。若把U3和U4视为各自具有一定反馈电阻的同相 比例运算电路，电路中 R11为U3和U4的公用电阻且不接地。由于 U3和U4工作 于线性状态，根据虚短

15、特性，所以 R11上没有共模电流。差模信号则可在 R11两端 产生压降，其放大倍数为 1+2R9/R11。由上述分析可知，该放大器具有同上述仪用 放大器的特点。定量分析：设加在运放U3同相端的输入电压为V1，加在U4同相端的输入电压为V2,若 U3、U4、U5都是理想运放，则有虚短特性。设 U3的输出电压为V3, U4的输出电 压为V6。则有：V1 -V2V3=V1WR9V6=V2-JR11R10所以仪用放大器的第一级的闭环放大倍数为A V3 V6 M R9 R10、Ai=(1)Vi V2R11由于R9=R10 R12=R13=R14=R1,5所以输出电压为V2)U out(1 2R9)(V1

16、R11所以整个放大器的闭环放大倍数为U out2R9)而)由于电桥的满量程输出为50mV，若要使得调理电路的最大输出为3V “600.05VAfAfV1 V2 (13V，则有:60,2R91 -R11因为R9=5.1K 所以R11=0.17K加在R11上的电流为0.29mA故可根据这两个参数选取0.25K的滑线变阻器R11。运放U3和U4的选取原则是：器件的失调电压小、温漂低和输入偏流小，同时 要求U3和U4的匹配参数，以提高共模抑制比。关于后级运放的选取原则是：具有优良的共模抑制性能，满足输出端的电流、 电压或功率的要求。电路中所使用的外接电阻的温度系数应该尽可能的低。以便获 得尽可能低的温

17、度漂移。此外，还应考虑到热偶效应，故应当使电路屏蔽，以防止 气流循环以及避免产生温度梯度。同时电阻 R12、R13、R14和R15阻值必须匹配, 否则共模抑制比下降。总结与体会四、设计51单片机应用程序单片机是把调理电路的输出模拟电压通过AD转换为数字量，然后通过数字滤波处理，再把电压值转换为载荷值，以及把载荷值通过数码管显示出来。流程图如下：总结与体会我是单片机程序的编写主负责，通信部分涉及到整个单片机的程序流程，通过和小组成员的讨论，最终修改成了单片机不断循环发送数据到串口，labview也不断循环读串口的数据，并实时显示出来，在获取数据时也利用了取平均值的方法减小误差这一方式。单片机的整

18、个程序我 也把它看懂了，了解单片机如何控制ADC0832，如何滤波，如何显示等等。由于在单片机中用汇编语言处理小数不易，所以数码管显示会存在一定的误差。所以我想利用混合编程，即在汇编中调用C语言程序，C语言程序编写的是数字量转换成质量，并分四位显示在数码管的程序,我利用仿真可以实现，但是烧写在单片机中数码管就出现了乱码。因为自己对这块确实还有很 多地方不了解，所以原因暂时也没有查出来，不过混合编程的思想我想今后也会不断学习使用 它。后来我们的小组队员通过直接修改汇编程序，对测量数据做补偿，从而实现了数码管较精 确的显示。程序清单如下：ORG 0000HSTART:LJMP MAINORG 00

19、23HLJMP INTERUPTORG 003FHMAIN:ADCS BIT P2.5 使能接口ADCLK BIT P2.4 时钟接口ADDO BIT P2.3 ;数据输出接口ADDI BIT P2.2 数; 据输入接口MOV SP,#60HMOV TMOD,#20HMOV TL1,#0FDHMOV TH1,#0FDHMOV PCON,#00HSETB TR1MOV SCON,#01010000BMOV IE,#90H;串行口初始化LCALL GETDATA ; 调用 AD 转换程序LCALL FIR;调用滤波子程序MOV SBUF,38H ; 发送数据SJMP $;等中断INTERUPT:;

20、中断处理CLR TILCALL GETDATALCALL FIRLCALL XIANSHI调用数码管显示子程序MOV SBUF,38HRETIFIR:;滤波子程序，低通滤波算法MOV 32H,AMOV 33H,#00HMOV R3,#6LOOP:MOV 30H,32HMOV 31H,33HLCALL GETDATAMOV B,#8MUL ABMOV 32H,BMOV 33H,AMOV B,#248MOV A,31HMUL ABRLC AMOV A,BADDC A,33HMOV 33H,AJNC FIR1INC 32HFIR1:MOV B,#248MOV A,30HMUL ABADD A,33H

21、MOV 33H,AMOV A,BADDC A,32HMOV 32H,ADJNZ R3,LOOPMOV 38H,32HRETMOVE:;74LS164移位子程序MOV R7,#8 ;准备送下后 8 个时钟脉冲AD1:MOV C,ACC.7MOV P0.6,CRL A 左; 移一次CLR P0.7NOPNOPSETB P0.7形成一次时钟脉冲NOPNOPDJNZ R7,AD1 循; 环 8 次RETZH:;电压值转换为载荷值子程序MOV A,32HCJNE A,#23丄PO用软件实现误差纠正LPO:;值较大时减3LSB,较小时减2LSBJC LP7SUBB A,#O3HSJMP LP8LP7:CJ

22、NE A,#O3H,LP9LP9:JNC LP1OMOV A,#OOHSJMP LP8LP1O:SUBB A,#O2H;LP8:MOV B,#153DIV ABMOV 4OH,A ;4OH 存放十位MOV A,BMOV B,#15DIV ABMOV 41H,A;41H 存放个位MOV A,#1OMUL ABMOV B,#15DIV ABMOV 42H,A;42H 存放十分位MOV A,#1OMUL ABMOV B,#15DIV ABMOV 43H,A;43H 存放百分位MOV R1,BCLR CCJNE R1,#8, ZH1;小数点省略部分四舍五入ZH1:JC ZH2MOV A,43HADD

23、A,#1MOV 43H,AMOV A,#OADDC A,42HMOV 42H,AMOV A,#OADDC A,41HMOV 41H,AZH2:RETXIANSHI:; 数码管显示子程序LCALL ZHLD2:MOV RO,#4OHMOV R3,#OFDHLD3:MOV PO,R3MOV A,ROMOV DPTR,#DTABMOVC A,A+DPTRCJNE R3,#OFBH,LD4ANL A,#7fH;在显示个位的时候显示小数点LD4:LCALL MOVELCALL DELINC ROMOV A,R3JNB ACC.4,LD5RL AMOV R3,ALJMP LD3DTAB:DB OcOH,Of9H,Oa4H,ObOH ;共阳极段码表DB 99H,92H,82H,Of8HD