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1、精选优质文档-倾情为你奉上目录摘要2引言2第一章基本原理3第二章直流电子称32.1 电桥的选择32.2 电路设计42.2.1电桥电路42.2.2差动放大器52.2.3 反相比例放大电路62.2.4测量电路7第三章电路调试73.1 调零73.1.1 作用73.1.2步骤73.2 调节增益83.2.1 作用83.2.2 步骤83.3 数据测量83.4 数据处理93.4.1 计算线性度93.4.2 计算迟滞回差10第四章交流电子称114.1 电路设计114.1.1 移相电路114.1.2 相敏检波电路124.1.3 低通滤波电路124.1.4 总电路134.2 电路调试144.2.1 电桥调零144
2、.2.2 电路调节144.3 数据测量144.4 数据处理154.4.1计算线性度154.4.2 计算迟滞回差16总结18致谢19参考文献20摘要利用所学的应变片和电桥的相关知识，练习相关的实际情况，分别用直流供电与交流供电组成电子称的电路，运用差动放大电路、反相比例放大电路、移相电路、相敏检波电路和低通滤波电路等，使设计电路总输出电压与实际重量数值相等，完成传感器的设计制作。关键词：应变片 电桥 交流信号处理 放大器引言随着技术的进步，由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业，实现了对物料的快速、精准的测量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度不断提高，称重传感器已成为过
3、程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐。料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器。目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。但随着现代数据采集系统的不断发展，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。由于传感器输出的信号往往存在温漂、信号比较小及非线性等问题。因此，它的信号通常不能被控制元件直接接收。这样一来，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，并且电路设计的优化程度直接关系到数据采集系统的精度和稳定性。第一章 基本原理电阻丝在外力作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电
4、阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：RR=K，式中RR为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏度系数，=LL为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。图 1.1 电子称传感器第二章 直流电子称2.1电桥的选择 （a） （b） （c）图 2.1 电桥电路（a）单臂式；（b）半桥式；（c）全桥式当电路中只有一个电阻应变片时（图a），为单臂电桥。令R3位置为电阻应变片，则其阻值为R3+R3。Uo=U6-U4=R3+R3R3+R4+R3-R1R1+R2Ui设 R1
5、=R2=R3=R4=R，且 R3R3=RR1，RR=K。 则 Uo=(1/4)KUi。 （21）同理，双臂电桥就是电路中有两个对称的电阻应变片（图b）， Uo=(1/2)KUi。 （22）全桥电路是电路中四个全为电阻应变片（图c）， Uo=KUi 。 （23）可见，全桥电路可以提高灵敏度，增加线性度，故选择全桥接线方式。2.2电路设计2.2.1电桥电路电桥电路如图3。图 2.2 电桥电路直流电子称设计时，电路中电源两端接直流电源4V；交流电子称设计时，电路中电源两端其中一端接交流电源，另一端接地线。图中R5为保护电阻，R6为差分输入调零端。理论上当R6在中点时，由于接的两个正负电源两边压降相同
6、，使得R5上没有电流流过。但实际上由于干扰等缘故，需要调节R6使R5上电流为零。2.2.2差动放大器图 2.3 差动放大器由于电路结构对称，他们的漂移和失调都有相互抵消的作用。由于对称型，先算出U1的输出电压，同理可以算出U2的输出电压，有下式： U1o/U1i=R13/(R15+R7)/2 ) （24）则 U1o= R13/(R15+R7)/2)U1i （25）同理 U2o= R14/(R15+R7)/2)U2i=R13/(R15+R7)/2)U2i （26）则差动放大倍数为 Au1=R13/(R15+R7)/2) （27）Au1范围是-1.8-20。U3为差分输入比例放大电路，其放大倍数为
7、 Au2=1 （28）所以总的放大倍数Au=Au1Au2，则其范围为-1.8-20。2.2.3 反相比例放大电路图 2.4 反相比例放大器由于放大倍数没有足够大，故在差动放大器后再接一个反相比例放大电路，使经过差放电路的电压增加并且能与电桥输出电压保持同相。放大器反相端并接电容是为了消除高频干扰。2.2.4测量电路图 2.5 直流测量电路第三章 电路调试3.1 调零3.1.1 作用电路中接近不同作用的滑动变阻器，目的是为了调节增益和调零。但位置滑动变阻器阻值时，电子称传感器空载时很大可能其输出值不为零，故调零的作用是使电子称传感器空载时，输出值为零。3.1.2步骤1.将万用表接在电桥电路输出端
8、，万用表打在直流电压200mV档。调节图5中R6电位器，使万用表显示为零。电桥调零完毕。2.将万用表接在差动放大器输出端口，万用表打在直流电压200mV档。调节失调，使万用表显示为零。差动放大器调零完毕。3，将万用表接在总测量电路的输出端口，万用表打在直流电压200mV档。调节图5中R8电位器，使万用表显示为零。差动放大器调零完毕。3.2 调节增益3.2.1 作用以上已经说明调零作用，是使空载时输出值为零。调节增益作用与其基本相同，不同的是调节增益是使电子称传感器上放上砝码时，输出相应的电压值。如：加入200g砝码，其电路输出电压为200mV。3.2.2 步骤调节增益的步骤是在电路已经调零的基
9、础上进行的，只有当电路已经调零完毕才可以调节增益。1.将万用表接在总测量电路的输出端，万用表打在直流电压2V档，放上十个20g的砝码，调节图5中R7电位器，使万用表显示数值为0.2。2.拿掉所有砝码，若万用表显示值不为零，则调节图5中R29电位器，是万用表显示为零。再放上200g砝码，若万用表显示不为0.2，调节R7电位器。3.重复2步骤，直到电子称空载时输出值为零；加载200g砝码时输出值为0.2。调节增益完毕。已经制成电子称基本功能。可以实现测量。3.3数据测量测量方式采取正反行程测量，测量三次，取平均值。测量数据如下表：重量表 1 直流电子称测量数据电压（mV） (g)020406080
10、100120140160180200第一次加载0.719.239.459.579.799.7120.5140.5160.6180.7200.1去载0.120.140.260.380.3100.3120.4140.4160.6180.6200.7第二次加载0.120.240.260.480.5100.6120.6140.5160.5181.0201.0去载0.220.640.660.780.5100.8120.9140.7161.0180.9201.0第三次加载0.220.340.560.580.4100.3120.4140.7160.8180.9201.0去载0.320.440.660.780
11、.7100.9120.8141.0160.8180.9201.03.4 数据处理3.4.1 计算线性度重量/g表 2 数据均值电压/mV020406080100120140160180200均值0.2720.1340.2560.3580.35100.43120.60140.63160.72180.83200.80根据表2绘制散点图，观察其线性情况，如下图：图 3.1 直流数据散点图拟合电压U和重量m的直线，设拟合直线为U=km+b，用最小二乘法拟合直线。i=010mi=m0+m1+m2+m10=1100gi=010Ui=U0+U1+U2+U10=1105.36mVi=010Uimi=U0m0+
12、U1m1+U2m2+U10m10=.4mVgi=010mi2=m02+m12+m22+m102=g2k=ni=010Uimi-i=010mii=010Uini=010mi2-i=010mi2=11.4-11001105.3611-=1.003mVgb=i=010mi2i=010Ui-i=010mii=010Uimini=010mi2-i=010mi2=0.14mV则拟合直线为U=1.003m+0.14。重量/g表 3 测量值理论值比较电压/mV020406080100120140160180200理论值0.1420.2040.2660.3280.38100.44120.50140.56160.
13、62180.68200.74测量值0.2720.1340.2560.3580.35100.43120.60140.63160.72180.83200.800.130.070.010.030.030.010.100.070.100.150.06由表可知，理论值与测量均值相差最大差值为0.15。则线性度L=maxUF.S100%=0.075%3.4.2 计算迟滞回差重量/g表 4 加载去载均值电压/mV020406080100120140160180200加载0.3319.9240.0360.1380.20100.20120.50140.57160.63180.87200.70去载0.2020.3
14、740.4760.5780.50100.67120.70140.40160.80180.80200.900.130.450.440.440.300.470.200.170.170.070.20由表可知，加载均值与去载均值的最大差值为0.47。则迟滞回差eH=maxUF.S100%=0.235%由表4绘制正反行程折线图，对二者进行比较：图 3.2 正反行程折线图第四章 交流电子称4.1 电路设计由于交流电压后续处理，故测量电路无需变化，而还需要在测量电路后接移相电路、相敏检波电路和低通滤波电路。4.1.1 移相电路图 4.1 移相电路移相电路为了调整交流电源与测量电路输出电压之间的相位差。其输入
15、接交流电源，输出端接入相敏检波电路的输入端。4.1.2 相敏检波电路图 4.2 相敏检波电路相敏检波电路为了检测电子称传感器受到力的方向（向上或者向下）。其输入端接移相电路的输出端；输出端接低通滤波的输入端。4.1.3 低通滤波电路图 4.3 低通滤波电路低通滤波电路是将从相敏检波输出的信号进行处理，使其输出为直流信号。其输入端接相敏检波电路输出端；输出端直接接万用表测电压。4.1.4 总电路图 4.4 交流电子称总电路4.2 电路调试4.2.1 电桥调零由于交流电压供电，经过电桥输出端U1和U2同样也为交流电，由于示波器一端接信号源，另一端必须接地线，则无法用示波器调零。故在直流供电下进行电
16、桥调零，然后再接进交流供电。4.2.2 电路调节1.将示波器接在相敏检波电路的输出端，万用表接在交流电子称总电路的输出端，即低通滤波电路的输出端。观察示波器波形，配合调节差动放大器的增益旋钮、调零旋钮和移相电路中的旋钮，使示波器波形为一条直线，万用表电压显示为零。2.在电子称传感器上放10个20g的砝码，调节增益使万用表显示20mV。拿下砝码，调节差动放大器的增益旋钮使示波器波形为一条直线且万用表显示为零。3.重复2步骤，知道电子称传感器空载时示波器波形为一条直线且万用表电压显示为零，满载时（200g）万用表电压显示为20mV。调节完毕。可以进行测量。4.3 数据测量同直流电子称一样，正反行程
17、各测三次数据。数据如下表：重量/g表 5 交流电子称测量数据电压/mV020406080100120140160180200第一次加载0.042.024.085.987.959.8912.1014.0115.9017.8919.74去载0.072.033.985.948.1210.0812.0413.9015.9618.0519.74第二次加载0.072.024.075.938.0910.0611.9613.8515.8017.9219.86去载0.102.064.166.218.3010.1812.0314.1015.9818.0319.86第三次加载0.102.183.815.967.89
18、10.0712.0913.9315.9518.0420.08去载0.182.044.066.078.0710.0912.1314.0616.0818.0920.084.4 数据处理4.4.1计算线性度表 6 数据均值电压/mV重量/g020406080100120140160180200均值0.0932.0584.0276.0158.07010.06212.05813.97515.94518.00519.893根据表6绘制散点图，观察线性情况，如下图：图 4.5 交流电子称测量散点图拟合电压U和重量m的直线，设拟合直线为U=km+b，用最小二乘法拟合直线。i=010mi=m0+m1+m2+m1
19、0=1100gi=010Ui=U0+U1+U2+U10=110.201mVi=010Uimi=U0m0+U1m1+U2m2+U10m10=15389.1mVgi=010mi2=m02+m12+m22+m102=g2k=ni=010Uimi-i=010mii=010Uini=010mi2-i=010mi2=1115389.1-1100110.20111*-=0.993mVgb=i=010mi2i=010Ui-i=010mii=010Uimini=010mi2-i=010mi2=0.089mV则拟合直线为U=0.0993m+0.089。重量/g表 7 理论值与测量值比较电压/mV020406080
20、100120140160180200理论值0.0892.0754.0616.0478.03310.01912.00513.99115.97717.96319.949测量值0.0932.0584.0276.0158.07010.06212.05813.97515.94518.00519.8930.0040.0170.0340.0320.0370.0430.0530.0160.0320.0420.056由表可知，理论值与测量均值相差最大差值为0.056。则线性度L=maxUF.S100%=0.28%4.4.2 计算迟滞回差表 8 正反行程比较重量/g电压/mV0204060801001201401
21、60180200加载0.0702.0733.9875.9577.97710.00712.05013.93015.88317.95019.893去载0.1172.0434.0676.0738.16310.11712.06714.02016.00718.05719.8930.0470.0300.0800.1160.1860.1100.0170.0900.1240.1070由表可知，加载均值与去载均值的最大差值为0.186。则迟滞回差eH=maxUF.S100%=0.93%根据表8画出正反行程折线图，对二者进行比较：图 4.6 交流电子称测量正反行程折线图总结学了一学期的传感器技术，感觉自己学到好多
22、东西，从考试来看也算是中等。但是从这个课程设计中看出，实际情况与理论知识差很多。并不是说从书本上学到的知识是错误的，只是我们接触到的书本上的知识都是理想情况，而在实际电路中干扰很多，变化也很多，根据书本上的理论知识肯定不会完全考虑周全。从这几天老师的指导来看，这次课程设计主要目的也是想锻炼我们对于实际情况的处理与应用，让我们明白实际中的情况很多时候并不是理想状态的。对于实际情况的处理不仅需要大量的理论知识，同样还需要缜密的思维与合适的方式去处理各种问题。不得不承认，对于不经常接触实际电路的我们，这次课程设计还是有一定难度的。如果不是鲍丙豪老师的耐心指导很多问题我们都丝毫没有头绪。也正是因为这次
23、课设有些难度，给我们带来的收获才更大，对完成的成果才更加自豪。正如鲍丙豪老师所说，越难的问题做出来的时候才更有成就感。而我感觉到的更是大大的征服欲，让我对传感器技术这门课产生了浓厚的兴趣，日后会好好学习努力钻研，希望可以像老师那样具有丰富的学识，可以解决更多的实际问题。致谢首先，要感谢我的父母让我有进入大学的机会，感谢他们对我二十年的养育之恩。没有他们就没有现在的我。其次，是要感谢江苏大学，给了我们这次课程设计这样好的锻炼。更要感谢我的老师们，尤其是鲍丙豪老师。在整个学期的课程学习中，一直对我们细心教导，耐心引领，学到了很多以前没有接触到的知识。我们该庆幸，有一个这样好的老师在我们的求知路上做我们的领路人和榜样。最后要感谢和我同组的同学们，在十天的课程设计中，互相帮助，互相学习，配合非常有默契。古人云：三人行，必有我师焉。虽然只是短短的十天，但我相信他们每个人都是我精神上学习上的良师。参考文献1松井邦彦,梁瑞林译,传感器使用电路设计与制作M,科学出版社,2005.2陈书旺,张秀清,董建彬,传感器应用及电路设计M,化学工业出版社,2008.3贾伯年,俞朴,宋爱国,传感器技术（第三版）M,东南大学出版社,2007.专心-专注-专业