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1、 題 目 稱重傳感器 摘要 利用所學(xué)的應(yīng)變片和電橋的相關(guān)知識(shí)，聯(lián)系相關(guān)的實(shí)際情況，組成稱重傳感器的電路，運(yùn)用多級放大電路顯示輸出，差動(dòng)放大電路減小誤差和漂移，使輸出電壓與實(shí)際重量數(shù)值相等，完成傳感器的設(shè)計(jì)制作。 關(guān)鍵詞：應(yīng)變片 懸臂梁 電橋 運(yùn)算放大器 差動(dòng)放大器目 錄一 、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求22.1設(shè)計(jì)任務(wù)22.2設(shè)計(jì)要求2三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析33.1設(shè)計(jì)方法33.2設(shè)計(jì)步驟53.3設(shè)計(jì)原理分析7四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)11五、參考文獻(xiàn)12131. 設(shè)計(jì)目的： 1、 掌握電橋電路的應(yīng)用；2、 測試重量與雙孔應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的電壓關(guān)系；3、 熟悉傳感器設(shè)計(jì)的步驟。將課堂學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)

2、用于實(shí)踐。2. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)重力測試測試重儀，測試重量與雙孔應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的電壓關(guān)系。掌握電橋電路的應(yīng)用，放大器的工作原理，測出重力。2.2設(shè)計(jì)要求 測量重量值與應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的電壓關(guān)系，稱重傳感器的設(shè)計(jì)原理，應(yīng)變片的位置判斷，放大器的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)，根據(jù)一系列的方法，較準(zhǔn)確的測出重量。3. 設(shè)計(jì)步驟及原理分析3.1 設(shè)計(jì)方法 利用所學(xué)的應(yīng)變片和電橋的相關(guān)知識(shí)，聯(lián)系相關(guān)的實(shí)際情況，組成稱重傳感器的電路，運(yùn)用多級放大電路顯示輸出，差動(dòng)放大電路減小誤差和漂移，使輸出電壓與實(shí)際重量數(shù)值相等，完成傳感器的設(shè)計(jì)制作，根據(jù)所學(xué)知識(shí)及查找進(jìn)行解決遇到的問題，如應(yīng)變片位置的判斷，零點(diǎn)的校正

3、，放大倍數(shù)的設(shè)置等。3.2 設(shè)計(jì)步驟1、應(yīng)變片位置的判斷此次選用的是標(biāo)準(zhǔn)商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，四個(gè)特性相同的應(yīng)變片分別由四組導(dǎo)線連接出來，顏色分別為白，黑，紅，藍(lán)。注意（白藍(lán)之間為輸入信號的正級，白紅之間為輸出信號的正級）如圖設(shè)計(jì)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。 因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。如圖（3）所示，當(dāng)電路接入電源5V時(shí)，其

4、輸出為正的小信號（理論上應(yīng)該為零，由于存在誤差不為零），放上砝碼時(shí)，輸出信號在原有的基礎(chǔ)上增大。能得出紅藍(lán)在懸臂梁的同側(cè)，白黑在另一側(cè)。由于輸出信號為正，得出紅藍(lán)在懸臂梁上側(cè)，白黑在下側(cè)。公式如下： 圖（3）2、零點(diǎn)的校正在設(shè)計(jì)過程中，沒放砝碼時(shí)就出現(xiàn)輸出值，由于給定元件參數(shù)存在誤差，使得理論輸出為零的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異，造成測量結(jié)果不精確。故設(shè)計(jì)電路如圖（4），電路輸出端并聯(lián)三個(gè)串接的電阻，其中有兩個(gè)為固定電阻，一個(gè)滑變電阻器，滑變電阻器的抽頭接為輸入信號的正級（三個(gè)電阻的阻值均為50k），可調(diào)電阻中間的引腳接輸出正級，就構(gòu)成了零點(diǎn)校正原理圖。在第一步中，輸出不為零是因?yàn)?。再接入可調(diào)電阻后，調(diào)節(jié)

5、可調(diào)電阻使電橋處于平衡狀態(tài)。圖(4）3、放大倍數(shù)的設(shè)置查閱資料得出，單級放大電路方大很高倍數(shù)時(shí)，顯示結(jié)果會(huì)發(fā)生跳變，所以用多級放大電路。根據(jù)所給器件，得出分兩級放大。第一級放大倍數(shù)為10倍，第二級放大倍數(shù)為10倍，總的放大倍數(shù)為100倍。（1）第一級放大器的設(shè)置如圖（5）查閱資料得出：由于差動(dòng)放大電路具有很高的共模抑制比，因而廣泛地應(yīng)用于模擬集成電路中。一般溫度變化引起的工作點(diǎn)不穩(wěn)定、電路元器件參數(shù)誤差造成的放大特性的變化等，都可以看作是一種共模信號，差動(dòng)放大電路對上述變化有良好的適應(yīng)性，能保持工作狀態(tài)和放大特性有較高的穩(wěn)定度。由于AD620本身處于集成狀態(tài)，故而直接按照圖（2）所示引腳接法連

6、接電路圖即可。選擇放大倍數(shù)為十倍，查閱資料得出在1、8引腳之間接入499歐姆的電阻即可使AD620放大倍數(shù)為十倍。圖(5）（2）第二級放大器的設(shè)置如圖（6）由于第一級放大電路是單腳輸出，所以用比例運(yùn)算放大電路足夠。即用LF356N作為第二級放大器，使LF356N放大倍數(shù)滿足倍數(shù)放大十倍。圖(6）4、傳感器精確性的檢驗(yàn)根據(jù)以上設(shè)計(jì)出來的電路，連接號電路，當(dāng)放上砝碼100克時(shí)，顯示器為100，此刻精確性很高。如有差距調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)最后的可調(diào)變阻器（按照設(shè)計(jì)方法做），直至較高的的精確性。3.3設(shè)計(jì)原理分析1.稱重傳感器設(shè)計(jì)原理 本課程設(shè)計(jì)選用的是標(biāo)準(zhǔn)商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，四個(gè)特性相同的應(yīng)變片貼在如

7、圖（1）所示位置，彈性體的結(jié)構(gòu)決定了R1 和R3、R2 和R4 的受力方向分別相同，因此將它們串接就形成差動(dòng)電橋。當(dāng)彈性體受力時(shí)，根據(jù)電橋的加減特性其輸出電壓為：=4 （圖1）設(shè)計(jì)雙孔懸臂梁稱重傳感器應(yīng)用到的原理：(1)電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。 設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作，這種材料的泊松系數(shù)是。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R： R=L/S（） （1-1）當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)

8、其伸長L，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少r。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作。 對式（1-1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有： R=L/S+L/SSL/S （1-2） 由式（1-1）去除式（1-2）得到 R/R=+L/LS/S （1-3） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S=，則s=2r*r，所以 S/S=2r/r （1-4） 從材料力學(xué)我們知道 r/r=-L/L （1-5） 其中，負(fù)號表示伸長時(shí)，半徑方向是縮小的。是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（1-4）（1-5）代入（1-3），有 R/R=/+L/L+2L/L =（1+2

9、（/）/（L/L）*L/L =K*L/L （1-6） 其中 K=1+2+（/）/（L/L） （1-7） 式（1-6）說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關(guān)系。 需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的K值一般在1.73.6之間；其次K值沒有量綱。 在材料力學(xué)中L/L稱作為應(yīng)變，記作，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便。常常把它的百萬分之一作為單位，記作。這樣，式（1-6）常寫作： R/R=K （1-8） (2)彈性體 彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首

10、先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應(yīng)力分布。 設(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 =（3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3）

11、（1-9） 其中：Q-截面上的剪力；E-揚(yáng)氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。 需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。2 . 集成運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器簡稱集成運(yùn)放，是具有高放大倍數(shù)的集成電路。它的內(nèi)部是直接耦合的多級放大器，整個(gè)電路可分為輸入級、中間級、輸出級三部分。輸入級采用差分放大電路以消除零點(diǎn)漂移和抑制干擾；中間級一般采用共發(fā)射極電路，以獲得足夠高的電壓增益；輸出級一般采用互補(bǔ)對稱功放電路，以輸出足夠大的電壓和電流，其輸出電阻小，負(fù)載能力強(qiáng)。集成運(yùn)放的主要參數(shù)是：（1）最大差模輸入電壓Vidmax 指運(yùn)放兩輸入端所允許加的最

12、大差模電壓值，超過該值，運(yùn)放輸入極差分對管將被反向擊穿，使運(yùn)放的性能變差，甚至損壞。（2）最大共模輸入電壓Vicmax 指運(yùn)放所能承受的最大共模電壓，若超過該值，共模抑制能力明顯下降。通常定義為，在標(biāo)準(zhǔn)電源電壓下，將運(yùn)放接成電壓跟隨器，使其輸出電壓產(chǎn)生1%粉碎誤差的輸入電壓。（3）輸入失調(diào)電壓VIo為使集成運(yùn)放的輸出直流電壓為零，兩輸入端之間的不成電壓。一般其量級在1V20mV，超低失調(diào)、低溫漂運(yùn)放的VIo在120V，而有的MOSFET輸入極運(yùn)放的VIo可大至1020 mV。（4）輸入失調(diào)電壓溫漂VIo 輸入失調(diào)電壓的大小隨溫度變化的現(xiàn)象稱溫漂。輸入失調(diào)電壓溫漂VIo指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，VIo

13、的變化與相應(yīng)的溫度變化的比值，一般約為(1020) V/。（5）輸入失調(diào)電流Io和輸入偏置電流Ib（6）輸入失調(diào)電流溫漂Io Io量級一般為幾個(gè)pA/. Io量級一般為1nA0.1A（7）開環(huán)差模電壓增益Avo 指運(yùn)放工作在線性區(qū)，其輸出電壓變化與輸入電壓變化之比，不同功能的運(yùn)放值不同，一般在6080dB。（8）開環(huán)帶寬和單位增益帶寬BWG又稱-3dB帶寬，指在正弦小信號激勵(lì)下，運(yùn)放開環(huán)電壓增益隨頻率升高從直流增益下降3dB所對應(yīng)的信號頻率；而增益下降至1，即0dB時(shí)的頻率定義為單位增益帶寬。（9）轉(zhuǎn)換速率SR運(yùn)放在額定負(fù)載及輸入階越大信號時(shí)運(yùn)放輸出電壓的最大變化率。反映了運(yùn)放對快速輸入信號的

14、瞬態(tài)響應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)采用AD620儀表放大器。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10,000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計(jì)，并且功耗較低(最大電源電流僅1.3 mA)，因此非常適合電池供電的便攜式(或遠(yuǎn)程)應(yīng)用。具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 V)和低失調(diào)漂移(最大0.6 V/C)特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，使之非常適合ECG和無創(chuàng)血壓監(jiān)測儀等醫(yī)療應(yīng)用。由于其輸入級采用Supereta處理，因此可以實(shí)現(xiàn)最大1

15、.0 nA的低輸入偏置電流。同時(shí)AD620在1 kHz時(shí)具有9 nV/Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)的噪聲為0.28 V峰峰值，輸入電流噪聲為0.1 pA/ Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時(shí)，AD620的0.01%建立時(shí)間為15 s，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用；而且成本很低，足以實(shí)現(xiàn)每通道一個(gè)儀表放大器的設(shè)計(jì)。集成運(yùn)放AD620和LF356各管腳及其引腳線路接法分別如圖（2）所示 圖（2）其中：1、8-電阻，選擇放大倍數(shù) 2-負(fù)輸入端 3-正輸入端 4-外接電源負(fù)輸入端 5-電壓參考端 6-輸出端 7-外接電源正輸入端3、差動(dòng)放大電路 由于差動(dòng)放大電路具有很高的共模

16、抑制比，因而廣泛地應(yīng)用于模擬集成電路中。一般溫度變化引起的工作點(diǎn)不穩(wěn)定、電路元器件參數(shù)誤差造成的放大特性的變化等，都可以看作是一種共模信號，差動(dòng)放大電路對上述變化有良好的適應(yīng)性，能保持工作狀態(tài)和放大特性有較高的穩(wěn)定度。和單管放大電路相比，差動(dòng)放大電路還有另兩個(gè)特點(diǎn)，其一是在輸入信號為25mV以內(nèi)電流電壓之間有很好的線性關(guān)系；其二是當(dāng)輸入信號超過100 mV時(shí)，有很好的限幅特性。對差動(dòng)放大電路的分析計(jì)算，可采用所謂“半電路法”。半電路法是將差動(dòng)放大電路的兩管的公共發(fā)射極反饋元件視為短路，將電路分成兩半，每一半按單管電路來分析。差動(dòng)放大電路的輸入端，有單端和雙端兩種輸入方式；其輸出端，有單端和雙端

17、兩種輸出方式。電路的放大倍數(shù)只與輸出方式有關(guān)，而與輸入方式無關(guān)，雙端輸出時(shí)的電壓放大倍數(shù)與單管電壓放大倍數(shù)相同；單端輸出時(shí)放大倍數(shù)減半。差動(dòng)放大電路的差模放大特性和共模放大特性的分析應(yīng)注意以下問題：(1)差模輸入信號的大小，一邊(單個(gè)管)的差模輸入電壓在數(shù)值上是整個(gè)放大電路(兩個(gè)管)差模輸入電壓的一半。但共模輸入信號的大小，一邊的共模輸入電壓和整個(gè)放大電路共模輸入電壓則指的是同一個(gè)數(shù)。(2)差模輸入電阻的數(shù)值，一邊的差模輸入電阻是整個(gè)放大電路(兩邊看進(jìn)去)差模輸入電阻的一半。而共模輸入電阻則一邊的共模輸入電阻和整個(gè)放大電路的共模輸入電阻都是指的同一數(shù)值，取一邊的共模輸入電阻值。放大電路兩管發(fā)射

18、極所接公共電阻，不影響差模輸入電阻，但對共模輸入電阻，則應(yīng)將負(fù)反饋?zhàn)饔眉哟笠槐秮碛?jì)算。(3)差動(dòng)放大電路的差模輸出電壓，雙端輸出是單端輸出的兩倍，但共模輸出電壓，雙端輸出一般比單端輸出小得多。在電路兩邊完全對稱的情況下，雙端輸出的共模輸出電壓為零。當(dāng)電路兩邊有微小的不對稱時(shí)，差模輸出電壓和單端共模輸出電壓變化都不大，但雙端輸出時(shí)共模輸出電壓將隨不對稱的程度不同而發(fā)生很大的變化。.4、理想集成運(yùn)放 集成運(yùn)算放大電路是一種高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路，利用集成運(yùn)放作為放大電路，引入各種不同的反饋，就可以構(gòu)成各種不同功能的實(shí)用電路。在分析各種實(shí)際電路時(shí)，通常將集成運(yùn)放的性能指標(biāo)理想化，構(gòu)成理想集

19、成運(yùn)算放大電路，理想集成運(yùn)放的理想化參數(shù)是：(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)；(2)差模輸入電阻；(3)輸出電阻0；(4)共模抑制比；(5) 開環(huán)帶寬。5. 工作原理圖1. 電阻應(yīng)變片及電橋式稱重傳感器 2.差動(dòng)放大器 3.AD轉(zhuǎn)換 4.液晶顯示電路4. 課程設(shè)計(jì)小結(jié)與總結(jié)體會(huì)：通過課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)自己的很多不足，自己知識(shí)的很多漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還急需提高,在稱重傳感器信號檢測中，檢測精度受到諸多因素的影響，其中電橋激勵(lì)電壓源的精度和穩(wěn)定度是影響信號精確度的重要因素之一。電橋輸出與激勵(lì)電壓成正比，因此，激勵(lì)電壓出現(xiàn)任何漂移都將導(dǎo)致電橋輸出出現(xiàn)相應(yīng)的漂移。并且現(xiàn)場

20、工作環(huán)境惡劣，可能存在粉塵、振動(dòng)、噪聲以及電磁干擾等，稱重傳感器輸出的幾百微伏至幾十毫伏信號極易受到干擾。所以研究抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好的信號變送和傳輸技術(shù)對保證檢測精度具有重要意義。5. 參考文獻(xiàn)【1】傳感器原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)指南 何金田 張斌 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社【2】傳感器及其應(yīng)用手冊 孫寶元 楊寶清 機(jī)械工業(yè)出版社【3】傳感器應(yīng)用電路400例 王煜東 中國電力出版社【4】傳感器技術(shù)與實(shí)驗(yàn) 張洪潤 張亞凡 清華大學(xué)出版社【5】傳感器原理及工程應(yīng)用 第三版 西安電子科技大學(xué)出版社【6】模擬電子技術(shù) 成立 楊建寧 東南大學(xué)出版社【7】傳感器技術(shù) 賈伯年 宋愛國 東南大學(xué)出版社【8】傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 單成祥 牛彥文 張春 國防工業(yè)出版社