學(xué)習(xí)子情境1電阻應(yīng)變式力傳感器單片機(jī)接口.ppt

學(xué)習(xí)子情境1 電阻應(yīng)變式力傳感器 單片機(jī)接口,學(xué)習(xí)情境一 變量式傳感器與單片機(jī)接口,1.1.1 51單片機(jī)概述 1.1.2 51架構(gòu) 1.1.3 8051引腳功能表述 1.1.4 常見51系列單片機(jī) 1.1.5 金屬應(yīng)變片工作原理 1.1.6 金屬應(yīng)變片的主要特性 1.1.7 測量電路 1.1.8 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用,1.1.1 51單片機(jī)概述,51單片機(jī)的起源 1980年Intel推出首款8位單片機(jī)-8051 Intel在80-82年陸續(xù)推出和8051指令系統(tǒng)完全相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同的8031、8052和8032等型號單片機(jī)，初步形成MCS-51系列，被奉為“工業(yè)控制單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)” 84年intel出售了8051的核心技術(shù) PHILIPS ATMEL ADI CYGNAL 發(fā)展至今形成一個有近千種型號的龐大的51單片機(jī)家族。,51系列單片機(jī)的鼻祖8051 1980年誕生于美國intel公司 8bit數(shù)據(jù)寬度 最高運(yùn)算速度1MPS 可以進(jìn)行乘法運(yùn)算 片內(nèi)4KbyteROM，128byteRAM 64K尋址 5級中斷管理、2個16bit定時器 UART串口、48bit并口,51系列單片機(jī)的遺傳基因 兼容的指令系統(tǒng) 相同的指令 相同的語法 相同的基本結(jié)構(gòu)51架構(gòu) 引腳兼容,1.1.2 51架構(gòu)(51 Architecture),8051內(nèi)部ROM ROM：Read Only Memory(只讀存儲器) 一般用于存放程序和表格等不常改變的數(shù)據(jù)常見的OM種類： 掩膜ROM (Masked ROM) EPROM (Electrically Programmable ROM) EEPROM (E2PROM) Flash ROM OTP ROM (One Time Programmable ROM) 8051單片機(jī)的ROM是掩摸ROM： 容 量：4096byte(212) 地址范圍：0000H1FFFH,8051內(nèi)部RAM RAM：Random Access Memory(隨機(jī)存儲器) 一般用于存放程序執(zhí)行過程中產(chǎn)生的大量的臨時數(shù)據(jù)，相當(dāng)于PC的內(nèi)存。 8051單片機(jī)的內(nèi)部RAM： 容 量： 128字節(jié) 地址范圍： 00H7FH,8051的CPU-Central Processing Unit(中央處理單元) 作用： 控制 協(xié)調(diào)片內(nèi)各部分的工作時序邏輯 控制和片外聯(lián)絡(luò)的時序邏輯 運(yùn)算 加法運(yùn)算 減法運(yùn)算 乘法運(yùn)算 除法運(yùn)算 布爾邏輯運(yùn)算(與、或、非、異或、移位等),51架構(gòu)與51單片機(jī)的內(nèi)部存儲器,內(nèi)部ROM 內(nèi)部RAM,1.1.3 8051單片機(jī)引腳功能描述,1.1.4 常見51系列單片機(jī),51單片機(jī)的改進(jìn)方向 制造工藝更新為CHMOS工藝(型號中含C) 特點(diǎn)：低功耗、高速、電平兼容TTL和CMOS 比如：89C51、80C51 采用Pipeline(流水線)進(jìn)一步提高運(yùn)算速度 8051：1MIPS C8051Fxx：25MIPS 片內(nèi)植入A/D、D/A、PCA等功能模塊 片內(nèi)存儲器擴(kuò)展和改型FlashROM、OTPROM 引入更多的通信方式如SPI、SCI、I2C等 采用更小的封裝和功耗,Philips 80C51系列單片機(jī) Philips 8位8051單片機(jī)系列提供完整的產(chǎn)品類型，包括Flash、OTP(一次性編程)、ROM和無ROM器件。由于為實(shí)時應(yīng)用而設(shè)計，這些80C51器件可以廣泛應(yīng)用于從消費(fèi)類產(chǎn)品、計算機(jī)外設(shè)到自動化系統(tǒng)的各種領(lǐng)域。,1.1.5 工作原理,1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng),電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時 其電阻值將發(fā)生變化,F l、A 、 R,電阻的靈敏系數(shù),對于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，,為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量； 為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.30.5； 為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；,金屬電阻的靈敏系數(shù),材料的幾何尺寸變化引起的 材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）,金屬材料：k0以前者為主，則k01+2=1.73.6 半 導(dǎo) 體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定,2. 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類,敏感柵 直徑為.025mm左右的合金電阻絲 結(jié)構(gòu) 絲繞式 基底 絕緣 覆蓋層 保護(hù),位移、力、力矩、加速度、壓力,彈性敏 感元件,應(yīng)變,外力作用 被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形 應(yīng)變片敏感柵隨同變形 電阻值發(fā)生相應(yīng)變化,應(yīng)變片,應(yīng)變片的類型和材料,金屬絲式 金屬箔式 金屬薄膜式,回線式 短接式,金屬絲式應(yīng)變片,金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線,金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略,應(yīng)變片電阻的相對變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，并且對同一電阻材料， K0=1+2是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.73.6之間。,金屬箔式應(yīng)變片,在絕緣基底上，將厚度為0.0030.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀,箔式應(yīng)變片,優(yōu)點(diǎn) ：,（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求， （2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵 （3）與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。 散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。 （4）橫向效應(yīng)可以忽略。 （5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。 缺點(diǎn)： 電阻值的分散性大 阻值調(diào)整,金屬薄膜應(yīng)變片,采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn) 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn) 問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關(guān)系,1.1.6 金屬應(yīng)變片的主要特性,（一）靈敏系數(shù) （二）橫向效應(yīng) （三）溫度誤差及其補(bǔ)償,應(yīng)變片的電阻值 R,應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值 電阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大應(yīng)變片承受電壓， 電阻值大 輸出信號大， 敏感柵尺寸也增大,（一）靈敏系數(shù),“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料 為泊松系數(shù)=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5的 產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值。,電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)k0,粘結(jié)層傳遞變形失真 還存在有橫向效應(yīng),原因：,（二）橫向效應(yīng),敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成 直線段：沿軸向拉應(yīng)變x，電阻 圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度y 電阻,K (箔式應(yīng)變片),l,y,x,橫向效應(yīng),應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。,（三）溫度誤差及其補(bǔ)償,1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化t 時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對變化為 2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化,溫度誤差,相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出,可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為,溫度補(bǔ)償,單絲自補(bǔ)償法 自補(bǔ)償法 組合式自補(bǔ)償法 線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻,溫度補(bǔ)償, 電橋補(bǔ)償法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,R1 +R,Rb -R,U0,R1R,R4,R3,U,RbR,電橋補(bǔ)償法,優(yōu)點(diǎn)： 簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好， 缺點(diǎn)： 在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。, 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法,粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。 a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片,a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片,優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低， 缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。,由式(2.1.16)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為 當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立 (2.1.21) 即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?組合自補(bǔ)償法,b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片,敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成,選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù) 調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的 電阻變化滿足,通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制 應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償， 可達(dá)0.45m/的高精度,熱敏電阻補(bǔ)償,T K,Rt,URt,U = Ui - URt,K,1.1.7 電阻應(yīng)變片的測量電路,1 直流電橋 2 非線性誤差及其補(bǔ)償,1. 直流電橋,直流電橋的工作原理,IL=0時電橋平衡 平衡條件 :,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,2不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度,當(dāng)電橋后面接放大器時, 電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為：,應(yīng)變片工作時，其電阻變化R,采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時式(2.1.24)可寫為,當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,4) 時，略去上式中的高階微量，則,上式表明：, Ri R時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。 若相對兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。 增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。,略去分母中的R1/R1項(xiàng) ,假設(shè)R1/R11,單臂電橋，即R1橋臂變化R，理想的線性關(guān)系,實(shí)際輸出電壓,電橋的相對非線性誤差為,2.非線性誤差及其補(bǔ)償,減小非線性誤差 采用的措施為：,（1）采用半橋差動電橋,R1R2R3R4=R，R1R2=R,嚴(yán)格的線性關(guān)系 電橋靈敏度比單臂時提高一倍 溫度補(bǔ)償作用,輸出電壓為：,全橋差動電路,1.1.8 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,1 應(yīng)變式力傳感器 2 應(yīng)變式壓力傳感器 3. 應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器 4 應(yīng)變式加速度傳感器,柱式力傳感器,1 應(yīng)變式力傳感器,（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；,(2)梁式力傳感器,等截面梁,結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高 適合于測5000N以下的載荷, 等截面懸臂梁, 等強(qiáng)度懸臂梁, 雙端固定梁,薄壁圓環(huán)式力傳感器,在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大,BK-2S稱重傳感器,產(chǎn)品詳細(xì)介紹 采用國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對稱性好、 測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱重系統(tǒng)中 供橋電壓 12VDC 輸入阻抗 38020 輸出阻抗 35010 絕緣電阻 2000M 工作溫度 -10+50,BK4輪輻式傳感器系列,2. 應(yīng)變式壓力傳感器,t,r,r,t,膜片式壓力傳感器,筒式壓力傳感器 測較大壓力,機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106107Pa）， 槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa）， 動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定,組合式壓力傳感器,應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上 壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等,通常用于測量小壓力。 其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。,AK-1型應(yīng)變式脈動壓力傳感器,產(chǎn)品特點(diǎn)： 采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu) 尺寸小