課程設計-電阻應變式稱重傳感器設計

1、 智能儀器綜合設計電阻應變式稱重傳感器設計摘要：在分析重力傳感器信號特性的基礎上，模塊化地設計了稱重傳感器信號的調(diào)理電路并對其進行了仿真實驗。結(jié)果表明：電路能實時、準確地處理信號，且工作穩(wěn)定，可靠，重復性好，抗干擾能力強，可實現(xiàn)精密測量的目的。關鍵詞：稱重；Lab view；電阻應變式傳感器；放大電路。一、引言隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對高精度信號調(diào)理技術的要求也越來越高。由于傳感器輸出的信號往往存在溫漂、信號比較小及非線性等問題，因此它的信號通常不能被控制元件直接接收，這樣一來，信號調(diào)理電路就成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可缺少的一部分，并且其電路設計的優(yōu)化程度直接關系到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定

2、性。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。二 工作原理1、 原理框圖 2、 稱重傳感器（MS-1）MS1型鋼制“S”稱重傳感器，承受拉、壓外力均可，輸出對稱性好，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、規(guī)格齊全?？捎糜谥圃鞕C電結(jié)合稱、吊鉤秤、料斗秤及各種專用稱、工藝

3、稱等。外形尺寸量程：50kg；尺寸：A=51mm；B=13mm；C=64mm；螺紋（公制mm）：M8×1.25；技術指標：主要技術指標單 位技術指標靈敏度mV/V 2±0.013±0.01非線性%FS±0.02滯后重復性0.01零點輸出%FS±1零點溫度系數(shù)%FS/10±0.02額定零點溫度系數(shù)輸出電阻385±10輸入電阻350±10絕緣電阻M5000供橋電壓V10(DC/AC)MAX:15(DC/AC)溫度補償范圍1050允許溫度補償范圍2060允許過負荷%FS120連接電纜mm5 連接方式輸入：紅（）藍（） 輸

4、出：黃（） 白（） 標定數(shù)據(jù)：標定數(shù)據(jù)溫度：25 橋壓：10V.DC 阻抗：350 載荷 輸出（KG）01020304050加載（MV）03.9997.99911.99815.99819.998卸載（MV）04.0028.00111.99915.998轉(zhuǎn)換系數(shù)K:K=20-103.9995+30-203.9995+40-303.9993+50-404.00004=0.3999575應變片測量電路：上圖為直流供電的測量電橋原理圖，其中第一臂為電阻應變片，由應變片引起的電阻變化為R1，當R1=R2、R3=R4時，電橋的電壓靈敏度SU為最大，此時有：U0=14UR1R2×11+12R1R1

5、 (1)SU=U0/R1R1=14U (2)U0=14UR1R1 (3)采用差動電橋可以消除非線性誤差。因此本設計電阻應變式稱重傳感器選用直流供電應變?nèi)珮?，該電橋的電壓靈敏度比單一工作應變片的電壓靈敏度提高了4倍，且具有溫度補償作用。3、 放大電路R1=10K； R2=2.4K; R3=238K; R4=2.4K; R5=100K放大倍數(shù)K=(R3/R2)×(R5/R4)4100;N1 N2 N3 均為OP07: 由于稱重傳感器的輸出電壓最大值為19.998毫伏，而采集卡的有效幅值范圍為±10V，再加上給稱重傳感器施加的力達不到最大值。因此，我們對總的放大倍數(shù)定位4000倍

6、左右。從而使放大電路的輸出電壓值在-10V+10V之間，以此達到了數(shù)據(jù)采集卡的要求。實際電路截圖：4、 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集用的是NI數(shù)據(jù)采集卡，其型號是CB-68LP,如下圖示：由于虛擬儀器軟件中的DAQ選擇的是通道1，所以只接采集卡的68和34管腳，為了使電路能達到平衡在67和34、67和68之間均接了阻值為2K的電阻，從而使數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果能更加精確。5、 Lab view處理對于數(shù)據(jù)的處理我們采用的是虛擬儀器軟件（Lab view7.1）。前面板截圖：后面板截圖：DAQ使用方法介紹：因為數(shù)據(jù)采集卡的輸入信號是模擬信號，因此選取Analog Input放大電路輸出的是電壓信號，故選用Volta

7、ge通道選取0同道，接線的時候正向輸入接68管腳，34管腳接負向輸入。數(shù)據(jù)采集卡的測量電壓范圍為10V+10V，因此輸入范圍最大值選10V，最小值選10V。電路采用的是差東放大，因此終端配置選擇差動式（Differential）軟件程序介紹： 為了能既可以是用手動采集數(shù)據(jù)和自動采集數(shù)據(jù)，因此程序的設計使用了CASE。當選擇鍵打到手動擋是，程序運行后點擊前面板的手動采集按鈕即可手動獲得測量數(shù)據(jù)。而當打到自動擋是，運行程序后即可自動獲得測量數(shù)據(jù)。 這段程序?qū)AQ采集到的數(shù)據(jù)分離出來，并將其轉(zhuǎn)換成被測力的量值。其中系數(shù)0.3999575是通過傳感器的標定數(shù)據(jù)中的到的。 這段程序是延時程序，延時時間

8、為500ms，目的是為了防止采集數(shù)據(jù)的速度過快。這段程序是在所得數(shù)據(jù)中進行采樣，并使其以波形圖的形式在示波器顯示。這段程序的作用是實時顯示測量結(jié)果，即顯示測量結(jié)果的同時顯示得到該數(shù)據(jù)的時間。這段程序的作用是將采集到的數(shù)據(jù)予以保存，保存的路徑為程序所在的文件夾。這段程序的作用是將測量接過以表格的形式顯示在前面板的結(jié)果顯示中。三 使用方法1、 將傳感器安裝在被測系統(tǒng)中，安裝時應使受力方向通過傳感器的中心線（拉壓、稱重），以防實測中產(chǎn)生側(cè)向力影響測量精度。2、 按原理圖接好線路：紅線 電源正；藍線 電源負；黃、白線為輸出端接二次儀表黃線 輸出正；白線 輸出負；3、 測力時，將傳感器接上直流電源，大小

9、為12V。測量前，先將傳感器預熱10分鐘。然后點開Lab view程序，運行程序。4、 加上欲測力進行測試。四 注意事項1、 工作環(huán)境盡可能清潔，避免與較高的非工作熱源接觸。2、 在輸出端用公共地線時，傳感器供橋電壓必須單一使用，嚴禁兩只以上的傳感器共用一個電源。3、 傳感器不得隨意擰開外殼或扭動固緊螺釘。4、 傳感器應定期進行靜態(tài)標定，以保證使用精度。5、 最大載荷力不應超過滿量程的150%。五 硬件電路設計與調(diào)試心得在這次課程設計中，我主要負責硬件部分的設計工作。硬件電路主要包括直流電源、MS1型鋼制“S”稱重傳感器、應變片橋式測量電路、電壓放大電路，信號采集電路。其中傳感器需提供+12V

10、直流，電壓放大電路中OP07芯片需±12V電源，由于已有做好模塊，直接選用。選用的MS1型鋼制“S”稱重傳感器中已將應變片橋式測量電路集成在其中，測量電路也不用設計。信號采集部分選用NI數(shù)據(jù)采集卡，其型號是CB-68LP。所以需要設計的是電壓放大電路。由于MS1型鋼制“S”稱重傳感器電壓輸出為310MV,而CB-68LP數(shù)據(jù)采集卡采集電壓為±10V。需放大1000倍左右。最初的想法是采用下圖所示的高公模抑制比三運放放大電路，由于采用差動輸入，可有效抑制干擾信號。搭出了上述電路，由于電路復雜，電阻不好匹配，調(diào)試困難，經(jīng)過兩日努力，沒有實質(zhì)性進展，后來經(jīng)組里討論，放棄了該方案。

11、其實也由于這次放棄，導致最終的結(jié)果也不是很理想。后來采用了級聯(lián)的放大電路，搭出了串聯(lián)型的三級放大，經(jīng)測試沒有放大效果。覺得很泄氣。學了幾年，連一個放大電路也做不出來。經(jīng)過一日思考，覺得自己有總體性要求，但細節(jié)處理不好。接下來就一步一步從頭開始做。先做一級放大。最初有一個很天真的想法，選用合適的電阻，直接放大1000倍不就行了嗎！搭好電路，測試沒有效果。事實上，OP07放大倍數(shù)在幾十倍時比較合適。后來搭成第一級放大40倍左右，第二級放大10倍左右，分級測試成功。最大輸出電壓達到12V。再接上采集電路，由于沒有平衡濾波措施，采集信號干擾很大，沒有預想效果。在老師指導下，在采集卡68、34，67管腳

12、接上平衡電阻，干擾被消除。但采集電壓變小，只有0.03V。分析原因，輸出阻抗很大，放大電路帶負載能力差。想到了電壓跟隨放大電路。在放大電路輸出端加入跟隨器，再接上采集電路。經(jīng)測試最大也只能達到1.7V。最終電路如下圖：由于各方面原因，我的硬件部分就只做了這么多。雖然最終效果不是很好。但還是收獲了很多。1. 做電路之前，要有一個總體規(guī)劃。最好有多種方案可選擇。2. 搭建電路時，把整個電路分成若干模塊。每做好一個模塊，測試一個模塊。做好一部分，就測試該部分的匹配協(xié)調(diào)性。3. 注意理論跟實際的差別，理論可行與實際可用是兩回事。如果有可能，最好能找到經(jīng)測試能用的經(jīng)驗電路。4. 測試過程中可能問題很多。

13、要多思考，多討論，勤于查找相關資料。六 總結(jié)兩周的課程設計結(jié)束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所們學習的知識，也培養(yǎng)了我們?nèi)ピO計一個方案，然后在團隊的協(xié)作下去實現(xiàn)這一方案。在設計過程中，與同學分工合作，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，也學會了理解。 課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。通過這次傳感器應用與設計，我在多方面都有所提高。通過這次傳感器應用與設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產(chǎn)實際知識完成了我們這一方案的實現(xiàn)，鞏固與擴充了以往課程所學的內(nèi)容，對虛擬儀器和測控電路這兩門課程有了更進一步的掌握，同時對其它各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考和團隊合作