传感器课程设计-交直流(动静态)电子秤

1、精选优质文档-倾情为你奉上J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 课 程 设 计说 明 书动、静态电子秤学院名称： 机械工程学院 专业班级： 测控 1401 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2017 年 1 月专心-专注-专业传感器技术课程设计任务书Curriculum design of sensor technology1、 课程设计的性质与任务传感器技术课程设计是测控技术与仪器本科专业学生在学完传感器技术课程后安排的课程设计，将综合应用本专业主要专业核心课程知识，如电路原理、传感器技术、大学物理、数字电子技术等课程，结合以上课程的

2、相关实验环节，培养和锻炼学生熟悉和掌握传感器设计的整个环节。帮助学生将专业学习学习过程中的各课程内容综合起来，是各学科知识的一次综合应用，实现从理论到实践的一次跨越。本课程设计的任务是通过设计实践训练，使学生掌握解决测控技术与仪器领域实际复杂工程问题时所应具有的查阅资料、综合运用所学知识解决实际问题的能力，培养学生具备应用文字处理及绘图软件撰写规范的课程设计说明书的能力，为后续毕业设计以及未来的工作打下坚实的基础。2、 课程设计目标1.能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别、表达测控系统与仪器领域相关的复杂工程问题；（指标点2-4）2.能够通过文献综合分析，研究测控系统与仪器相关领域的

3、复杂工程问题，以获得有效结论；（指标点2-4）3.能够根据测控仪器的设计任务，对复杂测控工程中的热点问题通过综合分析，提出解决方案，并能对其进行初步的可行性分析；（指标点3-3）4.能够根据总设计任务要求，完成符合特定功能、性能、成本等需求的机电测控系统、电子仪器设计，设计中能够体现创新意识；（指标点3-4）5.能够依据相关标准、规范，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等制约因素；（指标点3-4）6.能够应用文献检索就基本方法，了解设计任务有关背景与现状；（指标点5-1）7.能够选择与使用恰当的技术、资源和信息技术工具，完成课程设计内容；（指标点5-1）8.能够撰写课程设计说明书文稿

4、，格式规范，内容完整，表达清楚；（10-2）9.能够针对设计任务，清晰表达陈述设计背景、技术方法现状、设计主要方案以及内容，设计实验结果与结论等，并能够准确回应指令；（指标点10-2）三、课程设计目标与专业毕业要求指标点的对应支撑关系传感器课程设计支撑专业培养计划中毕业要求2、毕业要求3、毕业要求5、毕业要求10；1.毕业要求2-4：能够运用数学、自然科学和工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析测控系统与仪器领域相关的复杂工程问题，以获得有效结论，占该指标点达成度的20%。2.毕业要求3-3：能够根据测量、控制与仪器仪表中设计任务，对测控专业复杂工程热点问题进行综合分析，提出解决方案

5、，并进行初步可行性分析，占该指标点达成度的40%。3.毕业要求3-4：能够根据总设计任务要求，完成符合特定功能、性能、成本等需求的机电测控系统、电子仪器设计，依据相关标准、规范，综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等制约因素，并体现创新意识，占该指标点达成度的20%。4毕业要求5-1：能够应用文献检索基本方法，选择与使用恰当的技术、资源和信息技术工具，占该指标点达成度的20%。5.毕业要求10-2：能够撰写调查分析报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，占该指标点达成度的20%。四、课程设计内容与要求1.课程设计内容及任务要求（列出主要知识点、能力点）设计内容及任务要求：电子秤要

6、求：（1）给出悬臂梁式力传感器的设计方法（结构图、受力分析、粘贴方法）。（2）设计传感器信号处理电路（包括调零，差动放大等）。（3）给出测试结果。（4）给出称重传感器的静态特性指标（主要有灵敏度，线性度，迟滞误差）。（5）写出课程设计说明书。课程设计对象有多种，根据同学兴趣、个人基础特点和能力，个人或者组队进行，每组4人。每个人要明确各自的任务与分工要求。2课程设计总体要求通过不知具有一定难度的设计题目，利用所学的传感器技术、大学物理等知识，要求学生按照小组独立完成所布置题目设计任务。在分析与设计过程中，要求学生养成良好的设计习惯，学会分析设计过程中遇到的实际问题，并能利用所学的知识建立系统结

7、构，学会硬件设计、调试技巧和方法。 摘要称重技术自古以来就被人们所重视，秤是最普遍最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤具有极其广阔的市场前景，电子秤给人们生活带来了极大的便利，提高了工作效率。利用所学的电阻应变片和电桥的相关知识，分别使用直流供电与交流供电，运用差动放大电路、反相比例放大电路、移相电路、相敏检波电路和低通滤波电路等组成简易的电子秤，可以实现静态负载与动态负载的测量。将重量信号或压力信号转化为电信号，使设计电路总输出电压与实际重量数值成一定比例，完成传感器的设计制作。关键词： 应变片 电桥 电子秤 目录 第一章 引 言1.1 研究目

8、的和意义称量物体的重量是日常生活中常遇到的情况。随着计量技术和电子技术的发展，纯机械结构的杆秤、台称、磅秤等称量装置因体积大，重量大，精度差，长时间使用会产生误差而逐步被淘汰。电子称量装置如电子称、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。电子称向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本，高性能模拟信号处理器件的增加。其中电阻应变式传感器电子称在各个领域得到广泛应用。研究和设计完善电子称可以使现代化技术应用于生活，使国民生活更加方便、快捷、智能化。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，极大的促进了现代传感器的发展。传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综

9、合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。设计电子秤的本质即为设计电阻应变式传感器，其原理：应变梁（弹性元件）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在应变梁表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，已被广泛地应用。课程设计旨在培养学生的综合应用能力，通过本实践环节，加深对理论知识的理解，加深

10、对传感器性能、检测电路的形式与配接、信号的分析与处理等内容的了解。本次课程设计利用所学的电阻应变片和电桥的相关知识，以应变式电阻为核心，设计放大电路，相敏检波电路、移相电路和低通滤波电路等，制作出能测量静态量与动态量的电子秤。分别使用直流供电与交流供电，运用差动放大电路、反相比例放大电路、移相电路、相敏检波电路和低通滤波电路等组成测量电路，将重量信号或压力信号转化为电信号，使设计电路总输出电压与实际重量数值成一定比例，完成电子秤的设计制作。1.2 研究现状与发展趋势电子秤已经成为广泛使用的电子设备。根据使用场所和测量范围均有相对应的产品，在日常生活中也十分常见。随着技术的发展，电子秤的制造技术

11、及应用得到了新的发展，从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展特别对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子秤产品的数量和质量与工业发达国家相比还有差距。但近年来国家投入重点研发资金，让其发展不断加快。 在国际上，一些发达国家在电子称重方面已经达到了较高的水平。特别是在准确性和可靠性方面有了很大的提高。成果举例如下： （1） 美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器，用于高准确度检验平台，准确度可达5000d。 （2） 德国HBM公司成功研制出C2A、C16A两种不同结构的1100t具有耐压外壳保护的防爆称重传感器，其防爆性能

12、符合欧洲EN50014和EN50018d级标准。 （3） 美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列55000kg称重传感器，准确度6000d。用于湿度大、腐蚀性强的环境中，而且防水。 通过分析今年来电子秤产品的发展情况及国内外市场的需求，电子秤总得发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准备度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。传感器是电子秤的核心称量设备，由于传感器自身特性以及温湿度、周围环境以及压力的影响，电子秤称量误差绝大部分都来源于传感器。因此，对于传感器特性补偿程

13、序的开发显得尤为重要。当前高精度的电子秤针对传感器温度、蠕变、角差、线性等主要特性，采用软硬件结合的方法来降低上述传感器特性对输出数值精度的影响。针对温度、蠕变的影响有相应的程序算法。对于线性则使用软件算法和硬件结合的办法，减少手工调整线性的不确定性。加入算法后的传感器数值输出速度、精度、稳定性均有显著提高。随着一些新的数字技术的应用，可以大量减少传统经验在生产过程中的作用，既降低了人力成本，也提高了产品的稳定性。一般生活领域的电子秤已经能很好得满足需求。但在实验室等对精度要求更高的领域，科研人员还在探索更好的方案。工业生产中还有其他例如高温，高压等极端环境下需要的测量仪器也亟待技术突破以及更

14、成熟使用的设计方案。1.3 设计内容与思路使用应变片组成全桥测量电路，当秤盘有物体，应变片发生形变，电桥电路输出信号。经过放大电路放大全桥电路的输出信号，并通过电压表显示输出值。经过调节放大电路的增益与调零数值，使电压表时数对应物体的重量。应变电桥图1-1 电子秤工作原理图放大电路电压表第二章 总体方案设计2.1 功能要求(1) 当有物体置于秤盘时，有对应的显示；(2) 测量范围为0200g，测量精度为±1g；(3) 测量时能够清晰、稳定地显示测量结果；(4) 相敏检波电路能反应电子秤所受负载的动态变化；2.2 方案设计 2.2.1 称量方案图 2-1电子秤结构图在等截面梁上的相应位

15、置布置应变片，将其连接组成电桥电路。等截面梁一端固定，另一端放置秤盘以便称量物体。梁中部镂空以增大形变，增大电子秤的灵敏度。放置限程螺丝以防止过载导致弹性梁发生形变，或过大的形变损坏应变片。使用固定螺丝将秤盘和弹性梁固定于水平桌面上。2.2.2 电路方案电桥图2-2 静态电子秤电路原理图电压表应变片放大器对于静态测量。接入直流激励，将应变片连接成电桥，当秤盘有负载，应变片发生形变，电桥输出信号。因为应变片的形变很微弱，所以电桥输出的信号也很微弱，故需要放大电路经行放大。最终在电压表显示负载的值。示波器放大器电桥应变片移相滤波相敏检波电桥图2-3 动态电子秤电路原理图对于动态测量。接入交流激励，

16、将应变片连接成电桥，当秤盘有负载，应变片发生形变，交流信号的频率和相位发生变化，电桥输出信号。经过放大电路经行放大。通过移相电路给相敏检波电路输入一个参考波形，电桥信号经过相敏检波后输出，再通过低通滤波电路过滤干扰。可在示波器观察波形，并在电压表显示负载的值。电压表第三章 测量电路及原理3.1电阻应变片金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象。当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加。反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小。电阻应变计与弹性敏感元件、补偿电阻一起可构成多种用途的电阻应变式传感器。根据电阻应变效应制作出反应材料形变与电阻关系的传感

17、器，称为电阻应变片。电阻应变计按工艺可分为粘贴式、非粘贴式（又称张丝式或绕丝式）、焊接式、喷涂式等。图 3.1 应变片的基本构造金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。 对于一段长为L，截面积为S，电阻率为的导体，未受力时电阻为: （式31）在外力的作用下，电阻丝将会被拉伸或压缩，导体的长度L、截面积S以及电阻率等均将发生变化，都将导致其电阻值发生变化。对式子两边取对数求微分，即可求得电阻相对变化： （式32） （式33）材料的轴向线应变： （式34）又因为 （式35）所以 （式36）当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力

18、引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化R/R。在一定应变范围内R/R与的关系满足下式：，为应变片的轴向应变。 3.2电桥电路目前，最广泛用于电阻应变计的测量电路为应变电桥，其灵敏度高、精度高，测量范围宽、电路结构简单、易于实现等特点进而能满足测量要求。一般被测量是非常微弱的，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电路就是各种电桥电路，主要有直流和交流电桥电路。电桥电路的作用就是把电阻片的电阻变化率R/R转换成电压输出，然后提供给放大电路放大后进行测量。图3-2 直流电桥电桥输出电压为： （式37）R1、R2、R3、R4为四个桥臂，当一个臂、两个臂或四个臂接入应变片

19、时，就相应构成了单臂、双臂和全臂工作电桥。下面分别就单臂、半桥和全桥电路进行讨论。3.2.1单臂电桥图3-3 单臂电桥如图3-3所示，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻。应变片未受力时电桥处于平衡状态，,输出电压U0=0，当承受应变时，R1阻值发生变化，设为R1+R，电桥不平衡，产生输出电压为： （式38）设R1=R2=R3=R4=R,又因为R<<R1,则： （式39）3.2.2双臂电桥若在两个桥臂上计入电阻应变片，其他桥臂为固定电阻，则构成双臂工作电桥，如图3-4，R1、R2为电阻应变片，R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时，R1电阻增大R，R2电阻减小R，这种电桥

20、成为差动电桥。图3-4 双臂电桥此时电桥不再平衡，输出电压为： （式310）由式知半桥的输出是线性的没有非线性误差问题，而且灵敏度比单臂提高了一倍。3.2.3全臂电桥若四个桥臂上全为电阻应变片，则构成全桥工作电路，如图3-5所示，R1、R2、R3、R4均为电阻应变片。承受应变时，R1、R3电阻增大R，R2、R4电阻减小R。图3-5 全臂电桥电桥不再平衡，输出电压为： （式311）由式知，全桥的电压输出是线性的，不存在非线性误差，而且其灵敏度是单臂的4倍，是半桥的2倍。因此本次课程设计采用全桥电路。3.3放大电路3.3.1一级放大电路图 3-6三运放数据放大电路图3-6中A1，A2组成第一级，二

21、者均为同相输入运算电路。因此输入电阻很高，由于第一级电路结构对称，它们的漂移和失调电压都有相互抵消作用。A3组成第二级，差动放大级，将双端输入转化成单端输出。差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。电路的增益可以通过改变电阻R5阻值来调节。3.3.2二级放大电路电压信号经过差分放大电路放大后并不能满足预期要求，需要将其进行进一步放大。图 3-7二级差动放大电路3.4直流电路图电桥接直流电源接±4V，其余器件接入±15电源。图 3-8直流电子秤电路图3.5交流电路3.5.1移相电路能够对波的相位进行调整

22、的电路。本电路使用电容移相电路，电路给电容充电，一开始瞬间充电的电流为最大值，电压趋于0，随着电容充电量增加，电流逐渐变小，电压逐渐增加，至电容充电结束时，电容充电电流趋于0，电容端电压为电路的最大值，就这样完成了一个充电周期，取电容的端电压为输出，即可得到一个滞后于电流90度的移相电压。图 3-9移相电路3.5.2相敏检波电路相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路，提高抗干扰能力。相敏检波电路的优势是能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外

23、，还要输入一个参考信号，通过参考信号来分辨输入信号的相位和频率。图 3-10相敏检波电路3.5.3低通滤波电路低频信号可以通过，高频信号受到衰减，即把电路中的交流信号衰减，直流信号通过，最终输出直流电压。图 3-11低通滤波电路3.5.4交流电路图电桥激励为交流。图 3-11交流电子秤电路图第四章 调试与试验4.1静态电子秤调试图 4-1静态电子秤接线图图 4-2弹性梁及支座图 4-3应变片布置图4.1.1调零首先将电桥调零。再断开电桥与放大电路的连接，将放大电路的输入端接地，调节调零电位器将放大电路输出调零。然后将电桥与放大电路连接，调节调零电位器将放大电路输出调零。在秤盘上放置10个20g

24、的砝码，调节增益电位器，使输出电压为200mv，再取下所有砝码，观察电压表示数是否为0，如果为0则开始测量，如果不为0则调节调零电位器，再重复上述步骤，直至放置所有砝码示数为200mv，取下所有砝码示数为0则可以进行测量。4.2动态电子秤调试图 4-4动态电子秤接线图图 4-5动态电子秤施加1KHz震荡输出波形4.2.1移相图 4-6 移相前输出波形（1通道为输入信号，2通道为输出信号）图 4-7移相后输出波形（1通道为输入信号，2通道为输出信号）4.2.2相敏检波 示波器接相敏检波电路输出信号，调节放大电路调零电位器和移相电路电位器是输出波形近似的为一条直线。图 4-8相敏检波电路调零后的波

25、形图 4-9受拉力时相敏检波输出波形图 4-10受压力时相敏检波输出波形4.2.3低通滤波图 4-11调零后低通滤波输入（2通道）与低通滤波输出波形（1通道）图 4-13受拉力时低通滤波输入（2通道）与低通滤波输出波形（1通道）图 4-13受压力时低通滤波输入（2通道）与低通滤波输出波形（1通道）第五章 测量数据处理5.1直流电路测量数据经过多次实验测量，测量数据记录如表5-1所示。表 5-1直流电子秤测量数据砝码质量(g)第一次正行程电值（mV）第一次逆行程电值（mV）第二次正行程电值（mV）第二次逆行程电值（mV）第三次正行程电值（mV）第三次逆行程电值（mV）00.12-0.090.15

26、0.170.130.172021.0219.1520.5120.2120.0720.114040.7738.9140.2340.2139.9739.986060.4859.0760.2760.2559.8759.898080.3179.8180.1980.2479.8579.87100100.2599.94100.21100.2399.8199.83120120.14119.94120.15120.15119.72119.75140139.75139.82140.08140.12139.66139.68160159.87159.84159.98160.02159.63159.65180179.

27、96179.57179.84179.89179.61179.63200199.77199.77199.81199.81199.61199.61利用MATLAB软件，使用最小二乘法对测量数据求拟合直线及方程。图 5-1第一次测量正行程拟合直线图图 5-2第一次测量反行程拟合直线图图 5-3第二次测量正行程拟合直线图图 5-4第二次测量反行程拟合直线图图 5-5第三次测量正行程拟合直线图图 5-6第三次测量反行程拟合直线图5.1.1灵敏度图5-7输出电压拟合直线通过MATLAB拟合直线，如图所示，可知：灵敏度为mV/g5.1.2线性度表 5-2直流电桥输出电压实际值与理论值重量（g）电压实际值（m

28、V）电压理论值(mV)00.11 0.160.052020.18 20.12-0.064040.01 40.080.076059.97 60.040.078080.05 80.00-0.05100100.05 99.96-0.09120119.98 119.91-0.06140139.85 139.870.02160159.83 159.830.00180179.75 179.790.04200199.73 199.750.02由表格可知， ，所以线性度=0.0455.1.3迟滞误差表 5-3直流电子秤正行程及反行程输出电压重量（g）正行程（mV）反行程（mV） 00.130.08-0.052

29、020.5319.82-0.714040.3239.70-0.626060.2159.74-0.478080.1279.97-0.14100100.09100.00-0.09120120.00119.95-0.06140139.83139.870.04160159.83159.840.01180179.80179.70-0.11200199.73199.730.00由表格可知： =-0.3565.2误差来源分析在调试的过程中，有由于导线接触不良以及导线之间的干扰，会产生较大的系统误差。应变电阻因环境温度变化会产生一定的误差，本次课程设计的电子秤因没有添加温度补偿电流，故受温度影响相对比较大。以及在读取电压表示数时产生的误差第六章 总结直流电路连接与调试相对容易。因放大倍数较大，放大电路调零比较困难，而且因为导线接触不良以及导线之间互相影响，导致输出电压不稳定，需要多次调试才能达到可以测试的状态。交流电路连接相对复杂，且电桥在交流激励下输出值非常小，调零更