基于电阻应变片的称重传感器设计

1、本科生课程设计成绩评定表本科生课程设计成绩评定表 姓姓 名名性性 别别 专业、班级专业、班级 课程设计题目：课程设计题目：基于电阻应变片的称重传感器设计基于电阻应变片的称重传感器设计 课程设计答辩或质疑记录：课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据：成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师指导教师签字：签字： 年年 月月 日日 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 题题 目目: : 基于电阻应变片的基于电阻应变片的称重称重传感器设计传感器设

2、计 初始条件：初始条件： 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : 时间安排：时间安排： 序 号 内 容所 用 时 间 1 1 天 2 2 天 3 1 天 4 4 天 5 1 天 6 1 天 合 计 10 天 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 目录目录 1.绪论.1 1.1 概述.1 1.2 设计任务分析.1 2.方案选择与分析.2 2.1 方案选择.2 2.1.1 总体方案设计.2 2.1.2 硬件的方案设计与论证.2 2.2 弹性元件的设计.4 2.2.1 弹性元件选择.4 2.2.2 双孔梁受力分析及

3、尺寸设计.6 2.3 电阻应变片的设计.7 2.3.1 应变片的结构选择.7 2.3.2 应变片的材料选择.7 2.4 原理简述.9 3.检测电路设计 .11 3.1 电桥电路.11 3.2 电源电路的设计.12 3.3 前级放大电路.12 3.4 检波滤波电路.13 3.5 显示电路设计.14 4.传感器的封装与装配.16 5.误差源分析及处理 .16 6.传感器的标定 .17 7.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.25 1.1.绪论绪论 1.1 概述

4、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基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的 飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。 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发展，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

5、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，测量物体重量部分 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 设计任务分析设计任务分析 1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成电桥； 2.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； 3.完成传感器的外观与装配设计； 4.完成应变电桥输出信号的后续电路的设计和相关电

6、路参数计算，绘制电路 原理图（4 号图纸） ； 5.按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000 字左右） ； 6.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 0490N（质量范围是 050kg） ，选用双孔弯曲式弹性元件。 2.2.方案选择与分析方案选择与分析 2.1 方案选择方案选择 2.1.12.1.1 总体方案设计总体方案设计 方案一：数码管显示，结构简图如下： 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，硬件部分简

7、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： 图 2-2 综上比较，我采用方案一。 2.1.22.1.2 硬件的方案设计与论证硬件的方案设计与论证 关于硬件部分一些模块是固定的，所以在此对放大部分以及 AD 转换部分 进行方案选择。 （1）放大器部分 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 信 号 采 集 信 号 放 大 51 单 片机 信号 处理 LCD

8、 显示重量 数据采集 数码管显示 重量 51 单片 机数据 处理 AD 转换 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：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为

9、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，比较符合应用 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 转换部分 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

10、换器：它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接 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，精度比较高，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较器，而 n 位的转换就需要 2n-1 个比较器，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

11、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）显示部分 LED 数码显示管是一种由 LED 发光二极管

12、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的设计 2.2.12.2.1 弹性元件选择弹性元件选择 (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

13、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进性的梁，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表 面，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

14、特性，因而材料的基本要 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。经过比较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 s（Gpa） 30CrMnS

15、iA合金结构钢 2.1102 1116501300 40CrNi不锈钢 2.14102 11550200 QBe2铍青铜 1.31102 16.361250 LY12硬铝 0.72102 2352034 2.2.22.2.2 双孔梁受力分析及尺寸设计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=50kg9.8N/kg=490N 假定 L=60mm,L1=40

16、mm,H=22mm,b=30mm 则 WZ=bh2/6=1.810-7m3 应变最大处的弯矩 Ma=Fmax(L+L1)=49N.m 应力 a=Ma/WZ=2.99108Pa 结构钢许用应力=2s/3=8.67108Paa 所以梁的强度满足要求。 最大应变 a=a/E=2.99108Pa/2.11011Pa=1.4210-31.510-3 所以梁的应变满足应变片正常工作的要求。 2.3 电阻应变片的设计电阻应变片的设计 2.3.12.3.1 应变片的结构选择应变片的结构选择 电阻应变片主要分为金属丝式应变片（直径在 0.0120.05mm 的金属丝） ， 金属箔式应变片（厚度在 0.0010.

17、01mm 的金属箔） ，金属薄膜式应变片（厚度 在 0. 1m 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： 1. 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； 2. 敏感栅薄而宽，粘接性能好，传递试件应变性能好； 3. 散热性能好，允许通过道德电流较大，提高了输出灵敏度； 4. 敏感栅弯头横向效应可以忽略； 5. 蠕变，机械滞后较小，疲劳寿命长。 因此选用箔式应变片。 2.3.22.3.2 应变片的材料选择应变片的材

18、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 器弹性元件的表面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： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； 电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； 电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。

19、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。从综合性能和成本比较，康铜是最合适的材料。 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 0.030.05mm。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 B

20、H-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 （mmmm） 标称阻值(欧姆)基底尺寸 （mmmm） BH-350-3AA 3.03.0 350 7.64.4 2.4 原理简述原理简述 （1）框图 电源 供电 电 路 89C51 单片机 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较小，对 A/D 转 换或单片机的工作参数来说不能

21、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 几部分： 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

22、 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。 AD 转 换模 块 显示模块 放大 模块 压力 传感 器 3.3.检测电路设计检测电路设计 3.1 电桥电路电桥电路 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，则有 (1-2-3+4)= 4 UinK Uo F Ebh UinKL 2 3 式中 Uin驱动电压 U0电桥输出电压 K

23、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，可达到平衡条件。 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=（1.63.1）10-3W/mm2 根据表 2-3 电阻应变片参数得全桥供电电压，取 PG=3.110-3W/mm2 Ui=2，VV25 . 6 101 . 30 . 30 . 3350 3 则正弦驱动电压幅值 Uin=Ui=8.8V,取

24、 Uin=9V.2 此时电阻应变片上的有效电流 I=Uin/Rg=18mA25 mA2 所以驱动电压值符合要求。 3.2 电源电路的设计电源电路的设计 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, 517 3 . 0 CR

25、则 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 前级放大电路前级放大电路 由于传感器输出的电压比较小，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 作为放大器来达到净化信号电压和充分节约成本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=7mVF Ebh UinKL 2 3 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： 5 4 .

26、49 1 R K G 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 1007 这里放大 100 倍，因此解得 R5=499。 3.4 检波滤波电路检波滤波电路 图 3-5：检波滤波电路 为了从调幅信号中分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。 RC w 1 图 3-6：后续直流放大器 设计的增益为 7，取 R14=10K,，则 R16=70K。 14 16 R R K 3.5 显示电路设计显示电路设

27、计 显示电路是传感器显示对应的测量值和标定中的重要部分。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 05V. 4.4.传感器的封装与装配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。

28、5.5.误差源分析及处理误差源分析及处理 5.1 电阻应变片引起的误差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

29、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进。 5.2 影响传感器稳定的其他因素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 好的保证其最佳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表面的残余应力，可通过回火处理减小残余 应力的影响； 3.应变粘接剂强度不足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 达到较高的稳定水平。 6.6.传感器的标定传感器的标定 传感器的标定即利用精度高一级的标准量具对

30、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: (1) 将传感器量程分为从 050kg 的若干个等距点； (2) 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； (3) 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； (4) 按（2） （3）所述过程，对传感器进行正，反行程往复循环多次测试， 将得到得输入-输出测试数据用表格列出并画出曲线； (5) 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。 7.7.体会心得

31、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，比如数学公式的编辑，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 和生活中有比较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

32、机方面的操作。 参考文献参考文献 【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】传感器设计基础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基础及应用.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 附录附录 1 1：元器件清单：元器件清单 附录附录 2 2：参考程序：参考程序 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int