传感器课程设计

哈尔滨远东理工学院

传感器课程设计

小型称重系统设计

姓名：_____________________

专业：电子信息工程

学号：___________________

指导教师：_____________________

机器人学院

目录

第1章绪论..................................................................1

1.1选题背景...............................................................1

1.2目的和意义.............................................................1

第2章设计方案及其论述.......................................................2

2.1模型建立及电路原理.....................................................2

2.2电路图.................................................................4

第3章数据图表及分析.........................................................6

3.1数据图表...............................................................6

3.2数据分析...............................................................7

结论........................................................................8

第1章绪论

1.1选题背景

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、

交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子称重器是电子称重器中的一种,

称重器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计

量设备，称重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，称重技术的研究和称重器工业的发展各国都非常重视。工业生产中，称重

传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、

生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域，可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩

瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感

器。本实验是利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。硬件部分是在Multisim中仿

真设计，使用电压变化进行模拟测量物体重量从而达到实验效果。

1.2目的和意义

1）掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂、全桥电桥工作原理和性能。

2）学会建立仿真模型。

3）比较单臂双臂与全桥电桥的不同性能、了解其特点。

4）学会使用全桥电路。

5）了解物体重量与电压的关系效应。

6）了解电路原理。

第2章设计方案及其论述

2.1模型建立及电路原理

1.传感器模型的建立

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。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值将随着压力所产生的

变化而变化。对于金属导体，电阻变化率的表达式为：

△R”、

k°通常把单位应变所引起电阻相对变化称作电阻丝的灵敏系数，对于金属导体，其表达式

为：

k0=任”=(1+2川

£

所以：

NR।

——二ke

R°

在外力作用下，应变片产生变化，同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为△户

时，可得到应变值〜根据应力与应变关系，得到应力值为

(y=Ee

式中：。-应力,£-应变(为轴向应变)，6材料的弹性模量。

又重力G与应力。的关系为：

G=mg=GS

式中：G-重力，S-应变片截面积

根据以上各式可得到:

丝k

。mg

~R~ES

由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即

k

—gR^m

ES

根据应变片常用的材料（如康铜）取

222

20=2;E=16300kg/mm;S=100mm;/?0=348Q;G-9.8m/s

A/?=[(2*9.8x348)/(l6300x100)]m=0.004185%

所以在Multisim中可用建立以下模型来代替应变片进行仿真，模型如图2-1

图2-1

2.桥路部分电路原理

电阻应变计把机械应变转换成AR/R后，必须采用转换电路通常采用惠斯登电桥电路

实现这种转换。单臂电桥，如图2-2

当电桥平衡时，相对的两臂电阻乘积相等,即:

R1•火4=&•%

u二(RJR3XM/RJ

°(l+ARJR]+&/仆)0+%/氏3)

设桥臂比n=R2/R1由于R1«R1,分母中R1/R1可忽略，于是：

电桥电压灵敏度定义为：

%二u。二1V

ARJR1(1+寸

从上式分析发现：

(1)桥电压灵敏度正比于电桥供电电压。

(2)电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，必须恰当的选择n的值，保证电桥具

有较高的灵敏度。

2.2电路图

1单臂电桥

图2-3

2双臂电桥

15V

图2-4

3四臂电桥

15V

图2-5

第3章数据图表及分析

3.1数据图表

设置电路的输入端为15V的直流电源，固定电阻为348Q,电桥端电压分别为0.08V

——0.17V的十组数据进行对比分析。如表3・1

电压(V)单臂(uV)双臂(uV)四臂(uV)

0.084.1518.30216.603

0.094.679.33918.679

0.15.18910.37720.754

0.115.70711.41522.83

0.126.22612.45324.905

0.136.74513.4926.981

0.147.26414.52829.096

0.157.78315.56631.131

0.168.30216.60333.207

0.178.82117.64135.282

表3-1

分析数据发现电压随着彼数增加而翻倍，如表3-2,表3-3

3.2数据分析

柱状图

40

35

30

25

20

15

10

:1

0.080.090.10.110.120」30.140.150.160.17

■单臂(UV)■双臂(W)■四臂(uV)

表3-2

折线图

40

35

30

25

20

15

10

―

5

0

0.080.090.10.110.120.130.140.150.160.17

•单臂(uV)•双臂(uV)•四臂(uV)

表3-3

结论

控制系统的开发和设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，

系统实施，系统运行和调试过程继续进行。从整个小型电子称重器的设计过程中可看出，

高速，高灵敏度，体积小，重量轻，携带方便，显示直观、测量精度高等特点C

在试验中使用三种电桥：单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用

固定电阻；双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电

桥，又称为半桥形式；全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。当桥臂应

变片的电阻发生变化时，电桥的输出