电桥在应变式传感器中的应用研究与分析毕业论文

PAGEPAGEIV2014届毕业生毕业论文题目:电桥在应变式传感器中的应用研究与分析院系名称：专业班级：学生姓名：学号：指导教师：教师职称：年月日摘要信息科学是众多领域中发展最快的一门学科，也是最具有发展活力的学科之一。信息科学中的四大环节（信息捕获、提取、传输、处理）时人们最关心、对社会发展和进步起着十分重要的作用的重要内容。信息捕获技术是信息科学最前端的一个阵地和手段，而信息捕获的主要工具就是传感器。传感器作为测控系统中对象信息的入口，在现代化事业中的重要性已被人们所认识。随着信息时代的到来，国内外已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。自电桥测量原理问世至今的一百六十余年以来，人们相继研制和应用了品种繁多、技术指标各异的测量电桥。可以说，电桥在电气与电子测量技术领域里担负着准确地测量电阻、电容、电感、互感等电路参数和其它与此相关的待测量的重要作用。本文通过对几种电桥的理论与实验验分析，论证了全桥电桥的优越性与准确性，并通过称重传感器的具体事例来论述电桥在传感器电路中的应用。关键词：传感器、惠斯通电桥、非线性分析、灵敏度分析、称重传感器TitleBridgeapplicationresearchandanalysisonthestrainsensorAbstractInformationscienceisoneofthefastestgrowinginmanyfieldssubjects,alsoisoneofthemostdynamicsubjectsinthemost.Fourlinksofinformationscience(informationcapture,extraction,transmission,processing)whenpeoplemostconcernedabout,tothesocialdevelopmentandprogressisanimportantcontentofplaysaveryimportantrole.Informationcapturetechnologyisoneofthemostfrontendpositionandinformationscience,andthemaintoolsofinformationcaptureissensor.Sensorasthemeasurementandcontrolsystemintheentryoftheobjectinformation,theimportanceinthemodernizationdrivehasbeenknown.Withthecomingofinformationage,bothathomeandabroadhavegivenprioritytothedevelopmentofsensortechnologyasoneoftheareasofscienceandtechnology.Sincebridgeprinciplecomeoutofmorethanonehundredandsixtyyearsago,peoplehavedevelopedandappliedavariety,varioustechnicalindicatorsmeasuringbridge.Bridge,asitwere,inthefieldofelectricalandelectronicmeasurementtechnologyfortheaccuratelymeasuringtheresistance,capacitanceandinductance,mutualinductancecircuitparameterandotherrelatedtotheimportantroleofmeasurement.Thisarticlethroughtheanalysisofthetheoreticalandexperimentaltestofseveralbridge,expoundsthesuperiorityandtheaccuracyofthewholebridgebridge,andbridgeisdiscussedthroughspecificexamplesoftheweighingsensorintheapplicationofthesensorcircuit.Keywords：sensor、wheatstonebridge、nonlinearanalysis、sensitivityanalysis、weighingsensor目次（4号黑体，居中）1引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同）…………12××××××（正文第2章）……………………Y2.1××××××（正文第2章第1条）…………Y2.2××××××（正文第2章第2条）…………Y2.X××××××（正文第2章第X条）…………Y3×××××（正文第3章）………………Y………（略）X×××××（正文第X章）………Y结论……………………Y致谢……………………Y参考文献………………Y附录A××××（必要时）…………Y附录B××××（必要时）…………Y图1×××××（必要时）…………Y图2×××××（必要时）…………Y表1×××××（必要时）…………Y表2×××××（必要时）…………Y注：1.目次中的内容一般列出“章”、“条”二级标题即可；2．Y表示具体的阿拉伯数字；3.目录前的页码采用罗马数字。列如：=1\*ROMANI、=2\*ROMANII……。PAGEPAGE211引言传感器技术是在20世纪的中期才刚刚问世的。在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都还比较落后，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展，传感器技术已在国际市场中逐步占有了重要的份额。随着传感器技术的日益发展，电桥作为信号转换的重要桥梁，也越来越多的在传感器中得到应用与发展，而且显示出越来越重要的作用。1．1传感器1.1.1传感器的定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输的测量的电信号部分。1.1.2传感器的分类传感器的种类繁多，不胜枚举。传感器的分类方法很多，主要有以下几种。按输入量分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等；按工作原理分为应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等；按输出信号分为模拟式传感器和数字式传感器。1.1.3传感器的地位与发展人类社会已进入信息时代，人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。传感器处于研究对象与测试系统的接口地位，即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，狗咬通过传感器获取并通过它转换为容易输入与处理的电信号，所以传感器的作用与地位特别重要。传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。所以，如何采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论达到高质量的转换是总的发展途径。1.1.4应变式电阻传感器在几何量和机械量测量中，最常用的传感器是某些金属和半导体制成的应变片式传感器。应变片式电阻传感器是以应变片为传感元件的传感器。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。设有一根电阻丝，它在未受力里的原始电阻值为式中——电阻丝的电阻率——电阻丝的长度S——电阻丝的截面积电阻丝在外力F作用下，将引起电阻变化▽R，且有令电阻丝的轴向应变为，径向应变为,由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得通常把单位应变所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为从上式可以明显看出，电阻丝灵敏系数由两部分组成：（1+2）表示受力后由材料的几何尺寸变化引起的；表示由材料电阻率变化引起的。对于金属材料，项的值要小得多，可以忽略，故。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即=1.7~3.6，应变式电阻传感器具有以下优点：（1）精度高，测量范围广（2）使用寿命长，性能稳定可靠（3）结构简单，尺寸较小，重量轻，因此在测试时，对工件工作状态及应力分析影响小。同时也存在一些缺点，如在大应变状态下具有较大非线性，输出信号微弱，不适用于高温环境等。1.2电桥1.2.1电桥的定义及分类一般地，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。电桥又分为单臂电桥、半桥和全桥，其灵敏度依次提高。根据使用电源的不同，分为直流和交流电桥。1.2.2几种电桥电路的理论分析

（1）单臂电桥只接入一个应变电阻片，其余为固定电阻。设电桥的桥臂比为，根据电桥的工作原理，并忽略一些极小的无影响的量，可以得到输出电压的表达式为，同时得到单臂电桥灵敏度表达式=单臂电桥的实际输出电压与电阻变化的关系是非线性的，存在非线性误差，故不常使用。（2）半桥如图，接入两个应变片，一片受拉力一片受压力，两者应变符号相反，设初始状态为R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR，可以得到电压表达式，半桥灵敏度表达式，可见输出电压与电阻的变化严格呈线性关系，不存在线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。（3）全桥全部电阻都使用应变电阻，且相邻的两个臂的受力方向相反，电桥平衡时，R1=R2=R3=R4=R根据电桥性质可以得到电压及灵敏度的表达式，，可见差动电桥的灵敏度比单臂电桥提高了4倍，故广泛被使用。在电桥电路中，将与工作电阻同侧的固定电阻更换成相同受力方向的补偿片，且原始电阻值相等；这样在实际使用中，由于温度造成的电阻值变化被抵消，且补偿片不受力，故可以消除电压的漂移输出。2应变式传感器电桥电路的理论分析众所周知，将粘贴在弹性元件应变区上的电阻应变片，按相对臂应变方向相同、相邻臂应变方向相反的原则，组成惠斯通电桥电路，即称重传感器的初始电路。这一传感器虽然可以使用，但由于内在的各种影响因素和外部环境条件的影响，其输出特性将会较大地偏离理想的输出特性，主要性能指标均较差，达不到高准确度称重传感器的技术要求。为了提高称重传感器的综合性能指标和互换性，就必须采用各种电路补偿和性能调整技术，对其进行逐个逐项的电路补偿与调整。主要补偿与调整项目有:零点温度补偿、零点输出补偿、线性补偿、灵敏度温度补偿、灵敏度标准化调整、输出电阻标准化调整和输入电阻标准化调整等。理论分析和实践经验表明，称重传感器的电路补偿与调整，应严格按照上述顺序进行。电路补偿与调整技术是称重传感器研制和批量生产过程中的重点技术和关键工艺，应尽量配备比较先进的工艺装备和完善的检测手段，以保证取得准确可靠的测试结果，达到较高的补偿精度要求。2.1零点温度补偿称重传感器在无外载负荷作用时的输出称为零点输出。零点输出受环境温度的影响，随环境温度的变化而变化，这称之为零点温度漂移。引起称重传感器零点温度漂移的因素很多，归纳起来主要有如下几点:①弹性元件、电阻应变计、应变粘结剂的线膨胀系数不同，弹性元件的纵向和横向膨胀率不同，电阻应变计基底和应变粘结剂底膜的厚度不同，在环境温度发生变化时，都会产生不同程度的热胀冷缩，使电阻应变计敏感栅变长或缩短，引起电阻值变化;②电阻应变计敏感栅材料的电阻温度系数不为零，各电阻应变计之间又有一定的分散度，而且敏感栅材料的电阻率也随环境温度而变化，这都会引起电阻值的改变;③由于各电阻应变计的引出线及连接导线的长度不同，温度变化可引起电桥导线的电阻变化;④不同材料焊点之间存在着较小的热电势，也可以引起电阻变化;⑤弹性元件与外壳的温度系数不同，弹性元件曲率的影响，大气压力波动等影响，虽然比上述各项影响小，但也会使电阻值稍有变化。上述这些变化都直接影响着称重传感器的零点输出，而产生较大的零点温度漂移。为了消除上述因素的影响，减小零点温度漂移，但由于其特点的分散以及粘贴、固化等工艺的影响，即使采用温度自补偿电阻应变计，仍不能使引起温度漂移的因素全部抵消，所以零点输出在环境温度变化时还会有所变化。减小零点温度漂移最有效的方法，就是对传感器逐个进行零点温度补偿。引起传感器零点温度漂移的各种因素，都可以看成是因电桥电路四个桥臂的电阻温度系数不一致而造成的。解决的方法就是找出电桥电路中电阻温度系数小的桥臂，在其上串入一个电阻温度系数较大的零点温度补偿电阻R,以提高这个桥臂的电阻温度系数。只要选择合适的补偿电阻R值，就可以起到对零点温度漂移抵消的作用。2.2零点输出补偿应变式称重传感器多采用全桥式等臂电桥。因为全桥式灵敏度最高，等臂电桥各桥臂参数基木一致.所以便于抵消各种干扰量的影响。尽管称重传感器有严格的制造工艺规程，电阻应变计都经过认真测试筛选，但使其电阻值完全相同是不可能的，而且在粘贴、加压、固化工艺过程中，电阻值还会发生变化。由于组成电桥的各桥臂的电阻应变计电阻值的不同和改变量的不一致，将导致传感器在无外载荷作用时产生较大的零点输出。为了减小测量误差和便于各种测量仪器仪表的调零，应尽量使传感器的零点输出接近于零或控制在允许的误差范围之内。上述使零点输出近似为零所进行的调整，称之为零点输出补偿。零点输出补偿的方法是:在无外载负荷作用时，测出传感器的零点输出值，然后在某一桥臂中串接一个低电阻温度系数的零点输出补偿电阻Rz。对零点输出补偿电阻Rz的要求是:电阻率ρ要高;电阻温度系数a要小;应变灵敏系数K要低。一般多采用直径为(D0.10^-0.12mm的漆包锰铜丝，(a=0.000015/C)或漆包康铜丝((a=0.00002/"C).零点输出补偿是很容易的工艺，但要长期保持传感器具有较高的零点输出稳定性是十分困难的。影响零点输出稳定性的因素很多,主要有:(1）弹性元件、应变计墓底胶膜、应变粘结剂涂层几何尺寸的改变;(2）弹性元件冷、热加工残余应力和电阻(3）应变计箔材加工残余应力的释放;电阻应变计敏感栅残余腐蚀的影响;(4）应变粘结剂固化不完全,在使用过程中继续发生体积变化;(5）应变枯结剂的介电常数变化,改变了电阻应变计的寄生电容;(6）应变粘结剂因受潮而膨胀,引起应变计电解与腐蚀;(7)传感器引出线与电阻应变计基底之间的绝缘电阻及电阻应变计与弹性元件之间的绝缘电阻的变化;(8)电阻材料的氧化而引起的电阻变化;(9)由于弹性元件与电阻应变计的线膨胀系数不同,加之零点温度补偿不精确,环境温度变化将产生零点漂移;以上这些影响传感器零点不稳定的因素,大多数是可以通过改进制造工艺、提高补偿精度、改善防潮密封等方法加以克服的,有些则需要有关基础元器件和密封填料制造厂家相互配合、共同攻关来解决。总之,零点的稳定性是同灵敏度的稳定性一样重要的问题.应引起传感器研制与生产厂家的足够重视。3应变式传感器电桥电路的性能测试3.1模拟仿真实验实验目的：在仿真软件中通过对电路的模拟来进一步验证上述对单臂、半桥和全桥电路的理论分析，并为随后的实验做准备。实验装置：multisim10.0仿真软件实验过程：（1）在仿真软件中连接各种实验电路（2）调零单臂电路半桥电路全桥电路（3）在各电路中每改变20欧姆的电路，记录电路的输出电压单臂电路：半桥电路：全桥电路：（4）实验结论：上述实验结果证实了前边关于各种电桥电路灵敏度的理论分析。3.2应变式传感器的实验研究实验目的：（1）学习应变式传感器的工作原理（2）了解全桥测量电路的有点（3）了解应变式直流全桥的应用及电路标定实验装置：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表。实验步骤：（1）依据实验原理图连接实验电路（2）改变托盘上砝码的质量记录输出电压（3）记录实验数据，分析实验结果单臂电桥实验数据半桥电路实验数据：全桥电路实验数据：（4）数据处理：单臂电路：半桥电路：全桥电路：（5）实验结论：从实验数据的处理和分析可得全桥性能优于半桥性能,半桥性能优于单臂电桥性能,故我们设计传感器时可根据测量对象的精度不同对之进行选择,当然良好性能的电桥需要与之相配套的差分放大整合回路,材料的要求也比较高,在具体的测量中要根据测量的精度要求选取合适的电桥.4电子称的设计与应用4.1电子称概述称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用与工农业、科研、交通内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子称是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国际民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。因此称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在全电子型和数字电子型。我国电子电气的技术装备和检测试验手段基本达到国际水平，电子衡器制造技术和应用得到了新发展。电子称重技术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；测量特点从单参数测量想多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。电子称属于电子衡器的一种，它的发展也遵循这一趋势。随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机的现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测量仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远距离、功能、精度及自动化水平等方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。作为重量测量仪器，自能电子称在各行各业开始显现其测量准确、测量速度快、易于实现测量和监控的巨大优点，并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称，成为测量领域的主流产品。4.2电子秤的研究现状及发展趋势近几年，国内的电子称重系统从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。电子称重技术逐渐从静态称重向动态称重发展，从模拟测量向数字测量发展，从单参数测量向多参数测量发展。电子称重系统制造技术及其应用得到了新发展。在国际上，一些发达国家在电子称重力一面，从技术水平、品种和规模等方到了较高的水平。特别是在准确度和可靠性等方面有了很大的提高。目前，电子秤在称量速度方面需要进一步的研究。在称重传感器方面，国外产品的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大。电子秤产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域在不断地扩大。根据近年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子衡器总的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其应用性趋向于综合性、组合性。小型化：体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。模块化：电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。智能化：与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加判断、自诊断、自适应、自组织等功能。集成化：对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。综合性：电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。组合性：在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即：测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。4.3电子秤的设计要求(1)电子秤称重范围：0～10Kg；重量误差不大于0.1(2)液晶显示：所称物体重量、输入物品单价、金额；(3)当物品重量超过电子秤量程，即过载情况，具有超重报警功能。4.4电子称工作原理电子秤的工作原理如下：当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号；该信号经放大电路放大输出到模数转换器；转换成便于处理的数字信号输出至单片机；单片机进行处理、运算后将结果送至显示器进行显示。图2-1系统工作原理4.5数字电子秤的基本组成电阻应变式传感器输出信号三运放大电路放大信号电阻应变式传感器输出信号三运放大电路放大信号显示电路A/D转换电路电子秤的测量过程实际是通过传感器将被测物体的重量转换成电压信号输出，放大系统把来自传感器的微弱信号放大，放大后的电压信号经过模数转换把模拟信号转换成数字量，数字量通过显示器显示重量。（1）传感器电子秤传感器的测量电路通常使用桥式测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是传感器输出的电信号。电桥电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。图（2）全桥测量电桥图（其中V0输出为0~2mv）激励电压:9VDC～12VDC；灵敏度:2±0.1mV/V输入阻抗:405±10Ω；输出阻抗:350±3Ω极限过载范围:150%；安全过载范围:120%使用温度范围:-20℃～+60℃（2）三运放大电路在许多需要用A/D转换和数字采集系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。图（3）三运放大电路结构图为使系统产生的误差更小，传统上，设计秤重、测力、转矩及压力测量系统时，输出的数据更精确广泛采用全桥接电阻传感器的方法。大多数桥接传感器都要求较高的激励电压（通常为10V），同时输出较低的满量程差动电压，约为2mV/V。传感器的输出通常由仪表放大器加以放大。（3）A/D转换器A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流成与它成正比的数字量，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。A/D转换器种类较多，从原理上可分为四种：双积分A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器、并行A/D转换器、计数器式A/D转换器及Δ-ε型A/D转换器。在电子称的设计中用的较多的是双积分A/D转换器及Δ-ε型A/D转换器.这样，将上述各组件组合集成化，并加以实验校正便可得到数字型电子称重仪。结论本次研究中，对应变式传感器原理的理解与分析以及实验中对实验模块的调零为难点，通过对实验数据的分析更进一步理解全桥电路在传感器中的优点以及在称重传感器中应用的广泛性。

致谢从论文选题到搜集资料、从写初稿到反复修改，期间经历了喜悦、烦躁、痛苦和彷徨，在写作论文的过程中心情是如此复杂。如今伴随着论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，甚至还有一点成就感。在此要感谢老师的悉心关怀和精心指导，老师渊博的专业知识，严谨的教学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华，平易近人的人格魅力对我影响很深。在此次毕业论文撰写的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改及后期格式的调整等每一步都在老师的悉心指导下完成，真的很感谢您。老师你循循善诱的教导和不拘一格的思路给了我无尽的启迪，你将一直是我工作学习中的榜样。我还要感谢同学们的鼓励和帮助，你们是我永远也不能忘记的朋友，我们之间的友谊是我永远的财富。

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