基于电阻应变片的称重传感器设计

本科生课程设计成绩评定表姓名性别专业、班级课程设计题目：基于电阻应变片的称重传感器设计课程设计辩论或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩〔以优、良、中、及格、不及格评定〕指导教师签字：年月日课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:基于电阻应变片的称重传感器设计初始条件：要求完成的主要任务:时间安排：序号内容所用时间11天22天31天44天51天61天合计10天指导教师签名：年月日系主任〔或责任教师〕签名：年月日目录1.绪论11.1概述11.2设计任务分析12.方案选择与分析22.1方案选择2总体方案设计2硬件的方案设计与论证22.2弹性元件的设计4弹性元件选择4双孔梁受力分析及尺寸设计62.3电阻应变片的设计7应变片的结构选择7应变片的材料选择72.4原理简述93.检测电路设计113.1电桥电路113.2电源电路的设计123.3前级放大电路123.4检波滤波电路133.5显示电路设计144.传感器的封装与装配165.误差源分析及处理166.传感器的标定177.体会心得17参考文献18附录1：元器件清单19附录2：参考程序20附录3：零件图23附录4：装配图24附录5：电路图24附录5：电路图251.绪论1.1概述传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的根底技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速开展，特别是电子信息科学的开展，极大地促进了现代传感器技术的开展。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。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。随着计量技术和电子技术的开展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、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。而且随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，本文设计了一种电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的电路设计与软件流程。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量局部由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、体积小、操作简单、性能价格比高、功耗低、系统设计简单。1.2设计任务分析正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成电桥；选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并根据测试极限范围进行强度校核；完成传感器的外观与装配设计；完成应变电桥输出信号的后续电路的设计和相关电路参数计算，绘制电路原理图〔4号图纸〕；按学校课程设计说明书撰写标准提交一份课程设计说明书〔6000字左右〕；按机械制图标准绘制弹性元件图〔4号图纸〕,机械装配图各一张〔≥3号图纸〕；根据任务要求，本次设计的传感器测量压力范围为0~490N〔质量范围是0~50kg〕，选用双孔弯曲式弹性元件。2.方案选择与分析2.1方案选择总体方案设计方案一：数码管显示，结构简图如下：51单片机数据处理51单片机数据处理数码管显示重量数据采集数码管显示重量数据采集图2-1此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件局部简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系方案二：前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符显示功能的LCD显示器。结构简图如下：51单片机信号处理AD转换51单片机信号处理AD转换LCD显示重量信号采集信号放大LCD显示重量信号采集信号放大图2-2综上比拟，我采用方案一。硬件的方案设计与论证关于硬件局部一些模块是固定的，所以在此对放大局部以及AD转换局部进行方案选择。〔1〕放大器局部方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于信号转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方案二：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器，如下列图所示：图2-3：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级参加射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比拟符合应用要求。方案三：采用专用仪表放大器，如：AD620，INA128等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。综上所述，我选择方案三。〔2〕A/D转换局部A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。(1)逐渐逼近式A/D转换器：它是一种速度快、精度较高、本钱较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。(2)双积分A/D转换器：它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度比拟高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。(3)并行式A/D转换器：它又被称为flash〔快速〕型，它的转换数度很高，但她采用了很多个比拟器，而n位的转换就需要2n-1个比拟器，因此电路规模也极大，价格也很贵，只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。鉴于上面三种方案，在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐逼近式A/D转换器——ADC0809〔在仿真中选择ADC0808〕。〔三〕单片机的选择单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路〔I/O口〕，还有可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路〔LCD和LED驱动电路〕、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机任务。单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，在用keiluvision4把程序下载到单片机内。而本设计选用的是AT89C51.〔四〕显示局部LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为八段发光二极管数码显示器。对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位选和段选信号。LED数码显示有动态扫描显示法和静态显示。在单片机中，为了节省硬件资源，多采用动态扫描显示法。2.2弹性元件的设计弹性元件选择(一)弹性元件的结构选择图2-4：双孔梁的结构示意图电阻应变片式测力传感器的弹性元件有柱式，梁式，剪切式。为了改善悬臂梁的特性，在提高动态特性的同时，增加灵敏度，将梁做成各种形状，以改善其应力分布并增强刚度。常用的梁式传感器有等强度梁，等截面梁，双孔梁等。其中双孔梁是一种改良性的梁，结构如图2-4所示。在梁上有两个孔，当梁的端部有作用力时，梁受弯距作用弯曲变形。将应变片贴在与孔对应的梁上下外表，R1与R2为拉伸变形，R3与R4为压缩变形，对应应变片组成差动电桥，输出特性线性度好。双孔侧力传感器有零弯矩区，高度小，对加载方式和受力点移动不敏感且抗偏心，抗侧向力。因此选用双孔梁作为本次设计的弹性元件。〔二〕弹性元件的材料选择在任何情况下，弹性敏感元件应该保持良好的弹性特性，足够的精度和稳定性，在长期使用中，当温度变化是都应保持稳定的特性，因而材料的根本要求有以下几个方面：1.强度高，弹性极限高；2.具有高的冲击韧性和疲劳强度；3.弹性模量温度系数小而稳定；4.热处理后应有稳定均匀的组织，且各向同性；5.热膨胀系数小；6.具有良好的机械加工和热处理特性；7.具有高的抗氧化性，抗腐蚀性能；8.弹性滞后尽量小。弹性元件常用的材料及性能如表2-1所示。经过比拟知合金结构钢结构弹性极限大，线膨胀系数小，强度高，适合作为负重较大的悬臂梁式传感器。表2-1：弹性元件常用的材料及性能牌号名称弹性模量E〔Gpa〕线膨胀系数〔10-6/oC〕抗拉强度(Gpa)弹性限σs〔Gpa〕30CrMnSiA合金结构钢2.1×102111650130040CrNi不锈钢2.14×10211550200QBe2铍青铜1.31×10216.361250LY12硬铝0.72×1022352034双孔梁受力分析及尺寸设计双孔平行梁：载荷可以施加在任何位置，都可以简化为作用于梁端部的力F及一个力偶M。式中：——距自由端为一定距离的应变值；E——梁的材料弹性模量；b——梁的宽度；h——梁的厚度。根据实际量具托盘尺寸设计弹性元件总长为140mm,弹性元件最大测量压力Fmax=50kg×9.8N/kg=490N假定L=60mm,L1=40mm,H=22mm,b=30mm那么WZ=bh2/6=1.8×10-7m3应变最大处的弯矩Ma=Fmax(L+L1)=49N.m应力σa=Ma/WZ=2.99×108Pa结构钢许用应力[σ]=2σs/3=8.67×108Pa>σa所以梁的强度满足要求。最大应变εa=σa/E=2.99×108Pa/2.1×1011Pa=1.42×10-3<1.5×10-3所以梁的应变满足应变片正常工作的要求。2.3电阻应变片的设计应变片的结构选择电阻应变片主要分为金属丝式应变片〔直径在0.012～0.05mm的金属丝〕，金属箔式应变片〔厚度在0.001～0.01mm的金属箔〕，金属薄膜式应变片〔厚度在0.1μm以下的金属箔〕。由于电阻丝应变片有横向效应，对测量精度影响较大，同时降低了灵敏度。金属薄膜式应变片在使用过程中难以控制其电阻与温度和时间的变化关系。箔式应变片主要有以下优点：制造技术能很好地保证敏感栅尺寸准确，线条均匀，且能制成任意形状以适应不同的测量要求；敏感栅薄而宽，粘接性能好，传递试件应变性能好；散热性能好，允许通过道德电流较大，提高了输出灵敏度；敏感栅弯头横向效应可以忽略；蠕变，机械滞后较小，疲劳寿命长。因此选用箔式应变片。应变片的材料选择电阻应变片主要由电阻敏感栅，基底，覆盖层，引出线组成。基底是将传感器弹性元件的外表应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，应具备良好的绝缘抗潮和耐热性能。覆盖层起到保护敏感栅的作用，引出线焊接到敏感栅电阻丝的两端，其结构示意图如下：图2-5：电阻应变片结构示意敏感栅合金材料的选择对电阻应变片的性能起着关键的作用，有以下要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，性能如表2-2。从综合性能和本钱比拟，康铜是最适宜的材料。表2-2电阻应变片材料及其性能基底有纸基和胶基，现今纸基已逐渐被性能更好的胶基所取代。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.03～0.05mm。本次使用玻璃纤维增强基底的电阻应变片，因为其长期稳定性好，蠕变小，滞后小，耐热性好，疲劳寿命高，最适合用于高精度的测量。引出线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。综上所述依据:选择BH-350-3AA型号的电阻应变片；其参数如表2-3所示：表2-3：BH-350-3AA电阻应变片参数型号栅长×栅宽〔mm×mm〕标称阻值(欧姆)基底尺寸〔mm×mm〕BH-350-3AA3.0×3.03507.6×4.42.4原理简述电源供电电路89C电源供电电路89C51单片机压力传感器放大模块AD转换模块显示模块压力传感器放大模块AD转换模块显示模块图2-6：系统框图(2)原理分析本系统中用于称量的主要器件是称重传感器〔压力传感器〕，称重传感器在受到压力时会产生电信号，受到不同压力产生的电信号也随着变化，而且力与电信号的关系一般为线性关系。由于称重传感器输出信号比拟小，对A/D转换或单片机的工作参数来说不能使A/D转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D转换为数字信号以便单片机接收。单片机收到信号后进软件的一系列处理后把处理后的信号——物重显示于LED上。在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几局部：AT89C51的最小系统构成、电源电路、压力传感器电路、放大电路、检波滤波电路、AD转换电路以及显示电路组成。电阻应变式传感器为本课程设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显示表头中将电压〔V〕改为质量〔kg〕即可实现对物品质量的称重。本次课程设计所测质量范围是0-50kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对应的0-5V。3.检测电路设计3.1电桥电路电桥电路选用全桥电路，因为全桥电路具有灵敏度高，线性度好且具有温度补偿的功能。电路如图3-1所示，电桥使用交流电供电。图3-1：全桥电路电阻应变片按图3-1的方式布置，那么有(ε1-ε2-ε3+ε4)=式中Uin—驱动电压U0—电桥输出电压K—应变片灵敏系数图3-1中电位器RV1取10K，固定电容C1取0.1uf，电位器与电容组成电容调零电路。改变电位器上的滑动触点的位置，以改变并联到桥臂上的阻容串联而形成的阻抗相角，可到达平衡条件。为了提高电桥的输出灵敏度，驱动电压适当地取大一些。根据公式式中Rg--应变片电阻；Fg--敏感栅面积；PG--敏感栅上的功率密度，可取PG=〔1.6~3.1〕×10-3W/mm2根据表2-3电阻应变片参数得全桥供电电压，取PG=3.1×10-3W/mm2Ui=2，那么正弦驱动电压幅值Uin=Ui=8.8V,取Uin=9V.此时电阻应变片上的有效电流I=Uin/Rg=18mA<25mA所以驱动电压值符合要求。3.2电源电路的设计交流电压用于驱动电桥，作为测量信号的载波信号。由于测量信号较低，设计交流电压信号频率为5KHz。信号发生电路如图3-2所示：图3-2：交流驱动信号发生器电路采用ICL8038精密函数发生器，其具有电压范围宽，稳定度高，精度高，易于使用等优点，可同时产生方波，正弦波，三角波。如图3-2所示电路，正弦输出信号频率f=,取R17=10K,由f=5KHz得C=6nf,取标准值6.2nf,那么f=4.84KHz。ICL8038输出地正弦信号经过电位器RV3分压后经放大器U6放大，输出作为电桥的驱动电压。3.3前级放大电路由于传感器输出的电压比拟小，因此需对其进行放大使之满足后续电路的处理要求。鉴于传感器输出可能杂有共模电压，为此，选取具有高共模抑制比的AD620作为放大器来到达净化信号电压和充分节约本钱和制造的空间的目的。图3-3：AD620放大器由于电桥在满量程时输出电压UO==7mV因此放大电路总增益Av=5V/7mV=714.3图3-4：AD620内部方框图其放大增益为：为了将7mV的电压放大到5V，需要放大714.3倍，为此选择分配级为100×7这里放大100倍，因此解得R5=499Ω。3.4检波滤波电路图3-5：检波滤波电路为了从调幅信号中别离出所需要的测量信号，必须采用检波和滤波电路。本次设计中采用全波精密包络检波电路，电路如图3-5所示。设计低通滤波器的截止频率为40Hz,由得C=0.0995uf,取标准值C=0.1uf。图3-6：后续直流放大器设计的增益为7，取R14=10K,，那么R16=70K。3.5显示电路设计显示电路是传感器显示对应的测量值和标定中的重要局部。本次设计采用8位A/D转换器的ADC0809，单片机和LED显示电路显示测量的质量值。电路如图3-7所示图3-7：显示电路A/D转换电路的量程是0~5V.4.传感器的封装与装配传感器的封装是为了保护电阻应变敏感元件和弹性元件不受周围化学，物理因素的影响，同时固定引线。本次设计采用柔软，弹性模量不变的橡胶纹膜将电阻应变片密封，同时接线插座或电缆线需要密封，方法是采用绝缘材料将接线插座或电缆铸在里面，一端与应变敏感元件的引出线焊接，另一端接插座或焊接测量导线。传感器的装配如附件。5.误差源分析及处理5.1电阻应变片引起的误差实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：1.应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；2.电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。温度误差可以通过桥路进行补偿，本次设计的全桥电路很好地实现了温度补偿，其次电桥还有非线性误差，由于对金属丝应变片，电桥非线性误差可以忽略，所以对本次设计影响不大。最后对于如同工频等的干扰，我们尽量通过电路的优化除去干扰，如通过高共模抑制比仪放以及低通滤波器进行改良。5.2影响传感器稳定的其他因素1.称重传感器的结构导致的性能波动，通过将其设计成一个整体的结构可以很好的保证其最正确技术性能和长期的稳定性；2.机械加工过程中导致的弹性元件外表的剩余应力，可通过回火处理减小剩余应力的影响；3.应变粘接剂强度缺乏导致应变片产生蠕变等误差，可通过严格控制胶层厚度，由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，应变传递性能好，只要密封合理就可到达较高的稳定水平。6.传感器的标定传感器的标定即利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程，通过实验建立传感器输出量与输入量之间的对应关系。对于本次设计的称重传感器采用静态标定，标定过程如下:将传感器量程分为从0~50kg的假设干个等距点；根据传感器量程分点情况，使用砝码从小到大逐渐一点一点加载，并记录下各输入值对应的显示电路的输出值；将输入值由大到小一点一点地减小下来，同时记录下与各输入值相对应的输出值；按〔2〕〔3〕所述过程，对传感器进行正，反行程往复循环屡次测试，将得到得输入-输出测试数据用表格列出并画出曲线；对数据曲线的拟合曲线进行计算，得出输出与输入的对应关系，完成标定。7.体会心得通过这次课设，我进一步体会到了工具的重要性，这包括软件操作，工具书等方面。因为我们不可能学富五车，因而就有必要翻阅文献资料，如设计用到的相关书籍，标准手册等等。同时，具备较好的计算机水平也会给我们带来巨大的益处，比方数学公式的编辑，等等。但反过来说，通过这样的课程设计，也会加深我们对工具的了解和形成对其客观的认识，我想这对我们以后在工作和生活中有比拟好的视野和思维是有巨大帮扶作用的。总之，本次课设不仅加强了我对传感器的认识，更重要的是，它让我掌握了做设计应有的环节与步骤，也使我懂得了如何去结合理论知识分析解决现实问题，同时也让我学到了很多以前没有接触到的知识和相关计算机方面的操作。参考文献【1】传感器技术手册主编：袁希光国防工业出版社1986年【2】应力应变电测技术主编：郑秀瑗国防工业出版社1985年【3】电阻应变式传感器陶宝琪主编机械工业出版社1993年【4】电阻应变式传感器应用技术王云章主编机械工业出版社1991年【5】机械设计手册机械工业出版社1980年【6】传感器设计根底——课程设计与毕业设计指南单成祥等国防工业出版社，2007年【7】单成祥.传感器的理论与设计根底及应用.国防工业出版社1999年【8】侯国章编著.测试与传感技术.哈尔滨工业大学出版社1998【9】刘灿军编著.实用传感器.国防工业出版社2004年附录1：元器件清单附录2：参考程序#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitST=P2^0;//启动转换位sbitOE=P2^2;//输出允许位sbitALE=P2^3;//地址允许锁存位sbitEOC=P2^1;//转换结束位sbitCLK=P2^4;//时钟longintdatas,qian,bai,she,ge;ucharduan;ucha