《传感器与检测技术》课程设计指导书

1、课程设计任务书及指导书一.设计题目压力测量仪的设计二.设计目的(1使同学们掌握金属箔应变片组成的称重传感器的正确使用方法;了解压力测量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。(2通过设计、安装、调试电路等实践环节,提高学生的动手能力,提高分析问题、解决问题的能力。三.设计任务(1学生根据设计要求完成设计与测试。(2在完成设计后书写课程设计报告。四.时间安排2011年11月21日至2011年12月09日五.设计内容压力测量仪由以下五个部分组成:传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。其原理框图如图1所示: 图1 压力测量仪组成框图(1 传感器测量电路称重传感器的测量电路通常

2、使用电桥测量电路,它将应变电阻值的变化转换为电压的变化,这就是可用的输出信号。电桥电路由四个电阻组成,如图2所示:桥臂电阻R1,R2,R3和R4,其中两对角点AC接电源电压U SL=E(+10V,另两个对角点BD为桥路的输出U SC,桥臂电阻为应变电阻。R1R4=R2R3时,电桥平衡,则测量对角线上的输出U SC为零。当传感器受到外界物体重量影响时,电桥的桥臂阻值发生变化,电桥失去平衡,则测量对角线上有输出, U SC0。 图2 传感器电桥测量电路(2 放大系统压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大,放大的信号应能满足模数转换的要求。该系统使用的模数转换是3位半A/D转换,所以放

3、大器的输出应为0V 1.999V。为了准确测量,放大系统设计时应保证输入级是高阻,输出级是低阻,系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。(3 模数转换及显示系统传感器的输出信号放大后,通过模数转换器把模拟量转换成数字量,该数字量由显示器显示。显示器可以选用数码管或液晶显示器(4 传感器供电电源有恒压源与恒流源对于恒压源供电:参考图2,设四个桥臂的初始电阻相等且均为R,当有重力作用时,两个桥臂电阻增加R,而另外两个桥臂的电阻减少,减小量也为R。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化R T。这里假设R远小于R,并且电桥负载电阻为无穷大,则电桥的输出为:U SC=E*(R+R+R T/(R-R+R T+R

4、+R+R T-E*( R-R+R T/( R+R+R T +R-R+R T= E*R/(R+R T即U SC= E*R/(R+R T(1说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关,还与温度有关。如果R T=0,则电桥的电源电压E恒定时,电桥的输出与R/R成正比。当R T0时,即使电桥的电源电压E恒定,电桥的输出与R/R也不成正比。这说明恒压源供电不能消除温度影响。对于恒流源供电:供电电流为I,设四个桥臂的电阻相等,则I ABC=I ADC=0.5I有重力作用时,仍有I ABC=I ADC = 0.5I则电桥的输出为:U SC= 0.5I*(R+R+R T- 0.5I*(R-R+R T=I

5、*R 即U SC= I*R (2 因此,采用恒流源供电,电桥的输出与温度无关。因此,一般采用恒流源供电为好。由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等,因此,在零压力时,仍有电压输出,用恒流源供电仍有一定的温度误差。四、设计提示(1 放大电路设计首先,由于传感器测量范围是0 2Kg,灵敏度为1mV/V,其输出信号只有0 10mV左右;而A/D转换的输入应为0V 1.999V,对应显示0 1.999Kg,当量为1mV/g,因此要求放大器的放大倍数约为200倍,一般采用二级放大器组成。其次,在电路设计过程中应考虑电路抗干扰环节、稳定性。选择低失调电压,低漂移,高稳定性,经济性的芯片。电源电压±

6、;12V或±15V。最后,电路中还应有调零和调增益的环节;才能保证电子电平没有称重时显示零读数;测压力时读数正确反映被测压力。(2 传感器专用直流稳压电源:传感器要求的电源是+10V电压。对于给定的传感器其输入电阻为400;输出电阻为350。采用恒流源比采用恒压源可以减小非线性误差,因此本实验中要求恒流源供电,即电流在25mA左右的恒流源。(3 按照要求查阅相关电路和元器件功能的资料,完成传感器恒流源、放大电路A/D转换及显示电路的设计,画出电路图。(4 电路调试将+10V电压接到传感器的输入端,测量传感器的输出。在空载时,传感器的输出应为零,但由于有一个称盘,输出不为零,记下初始数

7、据,然后在称盘上放砝码,测量传感器输出端的变化。正确的变化应为:测量0 2Kg,输出电压变化为0 10mV调零:当传感器上不放砝码时,放大电路的输出应为零。若不为零,调整放大器的调零环节,使其输出为零。定标:当传感器放上2Kg的砝码时,放大器的输出应为2V。小于2V或大于2V 时应调节放大器的增益。五、注意事项(1为避免损坏传感器,使用过程中要注意轻拿轻放。往传感器上放砝码定标时,要反复调零和调增益,最后的显示才能准确。(2在电路调试、定标等过程中应使用电压表、电流表监测传感器的供电电源(数字万用表电压挡测量输出电压;用模拟表电流挡测量电流。必须保证供给传感器的电压、电流是恒定值,才能保证传感器的输出信号与被测量呈线性关系。(3接线或插拔元器件、芯片时要断电。六.设计的工作要求(1设计一个电子天平,量程为0 1.999Kg,传感器采用悬臂梁式的称重传感器(悬臂梁上贴有应变片。显示电路采用共阳极数码管。3位半A/D转换电路。(2安装、调试电路。首先对电路进行调零、定标,然后再对电路进行稳定性、漂移(零漂、温漂、重复性、线性等参数的测试和分析。(3总结报告。报告中应包括在调试过