題 目 稱重傳感器 摘要 利用所學的應變片和電橋的相關知識，聯(lián)系相關的實際情況，組成稱重傳感器的電路，運用多級放大電路顯示輸出，差動放大電路減小誤差和漂移，使輸出電壓與實際重量數(shù)值相等，完成傳感器的設計制作。 關鍵詞：應變片 懸臂梁 電橋 運算放大器 差動放大器目 錄一 、設計目的1二、設計任務與要求22.1設計任務22.2設計要求2三、設計步驟及原理分析33.1設計方法33.2設計步驟53.3設計原理分析7四、課程設計小結與體會11五、參考文獻12131. 設計目的： 1、 掌握電橋電路的應用；2、 測試重量與雙孔應變傳感器產生的電壓關系；3、 熟悉傳感器設計的步驟。將課堂學到的理論知識應用于實踐。2. 設計任務及要求2.1設計任務 設計一個重力測試測試重儀，測試重量與雙孔應變傳感器產生的電壓關系。掌握電橋電路的應用，放大器的工作原理，測出重力。2.2設計要求 測量重量值與應變傳感器產生的電壓關系，稱重傳感器的設計原理，應變片的位置判斷，放大器的設計調節(jié)，根據(jù)一系列的方法，較準確的測出重量。3. 設計步驟及原理分析3.1 設計方法 利用所學的應變片和電橋的相關知識，聯(lián)系相關的實際情況，組成稱重傳感器的電路，運用多級放大電路顯示輸出，差動放大電路減小誤差和漂移，使輸出電壓與實際重量數(shù)值相等，完成傳感器的設計制作，根據(jù)所學知識及查找進行解決遇到的問題，如應變片位置的判斷，零點的校正，放大倍數(shù)的設置等。3.2 設計步驟1、應變片位置的判斷此次選用的是標準商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，四個特性相同的應變片分別由四組導線連接出來，顏色分別為白，黑，紅，藍。注意（白藍之間為輸入信號的正級，白紅之間為輸出信號的正級）如圖設計電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。 因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，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，當電路接入電源5V時，其輸出為正的小信號（理論上應該為零，由于存在誤差不為零），放上砝碼時，輸出信號在原有的基礎上增大。能得出紅藍在懸臂梁的同側，白黑在另一側。由于輸出信號為正，得出紅藍在懸臂梁上側，白黑在下側。公式如下： 圖（3）2、零點的校正在設計過程中，沒放砝碼時就出現(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構出現(xiàn)差異，造成測量結果不精確。故設計電路如圖（4），電路輸出端并聯(lián)三個串接的電阻，其中有兩個為固定電阻，一個滑變電阻器，滑變電阻器的抽頭接為輸入信號的正級（三個電阻的阻值均為50k），可調電阻中間的引腳接輸出正級，就構成了零點校正原理圖。在第一步中，輸出不為零是因為*。再接入可調電阻后，調節(jié)可調電阻使電橋處于平衡狀態(tài)。圖(4）3、放大倍數(shù)的設置查閱資料得出，單級放大電路方大很高倍數(shù)時，顯示結果會發(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）第一級放大器的設置如圖（5）查閱資料得出：由于差動放大電路具有很高的共模抑制比，因而廣泛地應用于模擬集成電路中。一般溫度變化引起的工作點不穩(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，差動放大電路對上述變化有良好的適應性，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）第二級放大器的設置如圖（6）由于第一級放大電路是單腳輸出，所以用比例運算放大電路足夠。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根據(jù)以上設計出來的電路，連接號電路，當放上砝碼100克時，顯示器為100，此刻精確性很高。如有差距調節(jié)可調節(jié)最后的可調變阻器（按照設計方法做），直至較高的的精確性。3.3設計原理分析1.稱重傳感器設計原理 本課程設計選用的是標準商用雙孔懸臂梁式稱重傳感器，四個特性相同的應變片貼在如圖（1）所示位置，彈性體的結構決定了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電橋。當彈性體受力時，根據(jù)電橋的加減特性其輸出電壓為：=4 （圖1）設計雙孔懸臂梁稱重傳感器應用到的原理：(1)電阻應變片 電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。 設有一個金屬電阻絲，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。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R： R=L/S（） （1-1）當他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長L，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少r。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，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，我們知道導線的橫截面積S=，則s=2r*r，所以 S/S=2r/r （1-4） 從材料力學我們知道 r/r=-L/L （1-5） 其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。是表示材料橫向效應泊松系數(shù)。把式（1-4）（1-5）代入（1-3），有 R/R=/+L/L+2L/L =（1+2（/）/（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決定的一個常數(shù)，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的K值一般在1.73.6之間；其次K值沒有量綱。 在材料力學中L/L稱作為應變，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 彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。 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力分布。 設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力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應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的應變表達式，而不再推導。 =（3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3）（1-9） 其中：Q-截面上的剪力；E-揚氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。 需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。2 . 集成運算放大器 集成運算放大器簡稱集成運放，是具有高放大倍數(shù)的集成電路。它的內部是直接耦合的多級放大器，整個電路可分為輸入級、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，負載能力強。集成運放的主要參數(shù)是：（1）最大差模輸入電壓Vidmax 指運放兩輸入端所允許加的最大差模電壓值，超過該值，運放輸入極差分對管將被反向擊穿，使運放的性能變差，甚至損壞。（2）最大共模輸入電壓Vicmax 指運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，在標準電源電壓下，將運放接成電壓跟隨器，使其輸出電壓產生1%粉碎誤差的輸入電壓。（3）輸入失調電壓VIo為使集成運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、低溫漂運放的VIo在120V，而有的MOSFET輸入極運放的VIo可大至1020 mV。（4）輸入失調電壓溫漂VIo 輸入失調電壓的大小隨溫度變化的現(xiàn)象稱溫漂。輸入失調電壓溫漂VIo指在規(guī)定溫度范圍內，VIo的變化與相應的溫度變化的比值，一般約為(1020) V/。（5）輸入失調電流Io和輸入偏置電流Ib（6）輸入失調電流溫漂Io Io量級一般為幾個pA/. Io量級一般為1nA0.1A（7）開環(huán)差模電壓增益Avo 指運放工作在線性區(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下，運放開環(huán)電壓增益隨頻率升高從直流增益下降3dB所對應的信號頻率；而增益下降至1，即0dB時的頻率定義為單位增益帶寬。（9）轉換速率SR運放在額定負載及輸入階越大信號時運放輸出電壓的最大變化率。反映了運放對快速輸入信號的瞬態(tài)響應。本實驗采用AD620儀表放大器。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至10,000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設計，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(或遠程)應用。具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調電壓(最大50 V)和低失調漂移(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)療應用。由于其輸入級采用Supereta處理，因此可以實現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。同時AD620在1 kHz時具有9 nV/Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1 Hz至10 Hz頻帶內的噪聲為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，AD620的0.01%建立時間為15 s，非常適合多路復用應用；而且成本很低，足以實現(xiàn)每通道一個儀表放大器的設計。集成運放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-負輸入端 3-正輸入端 4-外接電源負輸入端 5-電壓參考端 6-輸出端 7-外接電源正輸入端3、差動放大電路 由于差動放大電路具有很高的共模抑制比，因而廣泛地應用于模擬集成電路中。一般溫度變化引起的工作點不穩(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，差動放大電路對上述變化有良好的適應性，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，差動放大電路還有另兩個特點，其一是在輸入信號為25mV以內電流電壓之間有很好的線性關系；其二是當輸入信號超過100 mV時，有很好的限幅特性。對差動放大電路的分析計算，可采用所謂“半電路法”。半電路法是將差動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，有單端和雙端兩種輸出方式。電路的放大倍數(shù)只與輸出方式有關，而與輸入方式無關，雙端輸出時的電壓放大倍數(shù)與單管電壓放大倍數(shù)相同；單端輸出時放大倍數(shù)減半。差動放大電路的差模放大特性和共模放大特性的分析應注意以下問題：(1)差模輸入信號的大小，一邊(單個管)的差模輸入電壓在數(shù)值上是整個放大電路(兩個管)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放大電路共模輸入電壓則指的是同一個數(shù)。(2)差模輸入電阻的數(shù)值，一邊的差模輸入電阻是整個放大電路(兩邊看進去)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，則應將負反饋作用加大一倍來計算。(3)差動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。當電路兩邊有微小的不對稱時，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、理想集成運放 集成運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，利用集成運放作為放大電路，引入各種不同的反饋，就可以構成各種不同功能的實用電路。在分析各種實際電路時，通常將集成運放的性能指標理想化，構成理想集成運算放大電路，理想集成運放的理想化參數(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. 電阻應變片及電橋式稱重傳感器 2.差動放大器 3.AD轉換 4.液晶顯示電路4. 課程設計小結與總結體會：通過課程設計，發(fā)現(xiàn)自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實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。電橋輸出與激勵電壓成正比，因此，激勵電壓出現(xiàn)任何漂移都將導致電橋輸出出現(xiàn)相應的漂移。并且現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，可能存在粉塵、振動、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、實時性好的信號變送和傳輸技術對保證檢測精度具有重要意義。5. 參考文獻【1】傳感器原理與應用課程設計指南 何金田 張斌 哈爾濱工業(yè)大學出版社【2】傳感器及其應用手冊 孫寶元 楊寶清 機械工業(yè)出版社【3】傳感器應用電路400例 王煜東 中國電力出版社【4】傳感器技術與實驗 張洪潤 張亞凡 清華大學出版社【5】傳感器原理及工程應用 第三版 西安電子科技大學出版社【6】模擬電子技術 成立 楊建寧 東南大學出版社【7】傳感器技術 賈伯年 宋愛國 東南大學出版社【8】傳感器設計基礎 單成祥 牛彥文 張春 國防工業(yè)出版社