壓力傳感器應用論文

1、傳感器的應用壓力傳感器姓名：白智偉學號：2011081403班級：2011級電本2班壓力傳感器摘要：壓力傳感器以stc11f04e單片機為中心控制系統(tǒng). 主要由彈性體、電阻應變片電纜線等組成，內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，電阻應變片受到拉伸或壓縮應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡，產生相應的差動信號，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號，然后用放大器將此信號放大。用雙積分型A/D轉換電路轉換，將轉變的數(shù)字量經單片機處理。最后由LCD將其顯示。關鍵詞：stc11f04e；傳感器；雙積分型A/D轉換電路。一系統(tǒng)設計1.總體設計思路:本設計主要由壓力傳

2、感器，運算放大器，雙積分型A/D轉換電路，單片機，LCD顯示屏構成?？傮w框架如下圖1。圖1總體電路框圖二.各個單元電路設計1.壓力傳感器的設計采用電阻應變式壓力傳感器。是由電阻應變片組成的測量電路和彈性敏感元件組合起來的傳感器。當彈性敏感元件受到壓力作用時，將產生應變，粘貼在表面的電阻應變片也會產生應變，表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉化為電阻應變片阻值的變化。把4 個電阻應變片按照橋路方式連接，兩輸入端施加一定的電壓值，兩輸出端輸出的共模電壓隨著橋路上電阻阻值的變化增加或者減小。一般這種變化的對應關系具有近似線性的關系。找到壓力變化和輸出共模電壓變化的對應關系，就可以通過測量共模電壓得

3、到壓力值。2. 輸入放大電路的設計由于所測出的微壓力傳感器兩端的電壓信號較弱，所以電壓在進行A/D 轉換之前必須經過放大電路的放大。輸入放大的主要作用是提高輸入阻抗和，本設計采用OP07集成運算放大器構成同相比例放大電路，以提高電路的輸入阻抗，以達到設計要求。3.雙積分式A/D轉換器的設計AD轉換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部分，也是計算機應用系統(tǒng)中一種重要的功能接口。目前市場上有兩種常用的AD轉換芯片，一類是逐次逼近式的，如AD1674，其特點是轉換速度較高，功率較低。另一類是雙積分式的，如ICL7135，其特點是轉換精度高、抗干擾能力強。但高位數(shù)的AD轉換器價格相對較高。本文介紹的一種基于單

4、片機的高精度、雙積分型AD轉換電路，具有電路體積小、成本低、性價比高、結構簡單、調試容易和工作可靠等特點，有很好的實際應用價值。4.顯示電路本設計采用點陣式液晶顯示器（LCD）顯示。液晶顯示器顯示功能強大，可顯示各種字體的數(shù)字、圖像，還可以自定義顯示內容，增加了顯示的美觀性與直觀性。最重要的是提供了友好的人機界面。三.理論分析及計算1.壓力傳感器主要組成部分及基本電路一、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

5、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（） （21） 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（2-1）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/S SL/S2 （22） 用式（2-1）去除式（2-2）得到 R/R = / + L/L S/S （23） 另外，我們知道導線的橫截面積S = r2，則 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （24） 從材料力

6、學我們知道 r/r = -L/L （25） 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（24）（25）代入（2-3），有 R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L）*L/L = K *L/L （2-6） 其中 K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （2-7） 式（2-6）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值是一個無因次量，

7、即它沒有量綱。 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（2-6）常寫作： R/R = K (28 二、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

8、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） （2-9） 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)。 三、檢測電路 檢測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

9、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。最普遍的電子秤是使用橋式壓力傳感器實現(xiàn)的，壓力傳感器的輸出電壓直接與放在其上的重量成比例。圖2示出了典型的稱重電橋；它是一個具有至少兩個可變橋臂的4電阻結構的電電橋，其中由所稱重量引起的電阻變化可產生一個疊加在2.5 V（電源電壓的一半）共模電壓之上的差分電壓。典型的電電橋通常使用300的電阻器。 圖2 壓力傳感器的基本電路2.雙積分式A/D轉換電路如圖3所示，運放A1、R、C構成積分電路，C常取022F的聚丙烯電容，R常取500

10、k左右，A2是電壓跟隨器，為電路提供穩(wěn)定的比較電壓，運放 A3作為電壓比較器，保證AD轉換電平迅速翻轉，CD4051是多路選擇開關，單片機P10、P11、P12作為輸出端口，控制其地址選擇端A、 B、C選擇不同的通道輸入到積分器A1，U為將要進行AD轉換的模擬輸入電壓，Uin為積分器的輸入電壓，U0為比較電壓，U1為基準電壓，為使AD 轉換結果具有更高的精度，基準電路應該提供精確的電壓，建議使用精度為1的精密電阻，單片機使用89C51，其內部定時器T0為積分電路提供精確的時間定時，計數(shù)器T1用來記錄反向積分時間，INT0用來檢測比較器電平變化。所需測量的模擬輸入信號和零點參考電壓以及基準電壓接

11、到多路選擇開關的輸入端，通過單片機中的程序控制，輪流選擇接入各路輸入信號，通過積分電路分別和固定電壓進行定時或定值積分，積分電路的輸出信號作為比較器的輸入信號與比較電壓進行比較，當比較器輸出翻轉信號時，CPU計數(shù)器停止計數(shù)，從而獲得零點參考電壓的計數(shù)值，對這個數(shù)據(jù)進行處理計算后，完成AD轉換。2轉換過程為了給積分電路提供積分零點，在系統(tǒng)上電階段，積分電路先接通GND，待比較器輸出為低電平時，再對積分電路進行一段時間的放電，以使得積分電容零電荷。因此雙積分電路的工作過程分為三個階段：(1 清零階段：當比較器輸出低電平時，積分電容上聚集了大量電荷，必須對其放電為后續(xù)的AD轉換提供精確的零起始點。即

12、對U0進行定值積分，由 由此可見放電時間根據(jù)U0、U1、R、C具體值而定。(2積分階段：對模擬輸入電壓Uin進行固定時間積分，積分時長T1，由AD的精度決定，精度越高積分時間越長，此階段積分器的輸出電壓3比較階段：對模擬輸入電壓進行定時積分后，再對零電平進行反向積分直到比較器的輸出發(fā)生翻轉，此階段積分器輸出電壓為由比較器原理得U10=U1，由此可得其中T1、U0、R、C、U1均為常數(shù)，即對零電平的積分時間T0與模擬輸入電壓U成正比，T0即為所求值。具體轉換波形如圖4所示。3.放大電路高精度低漂移運算放大器構成差動放大器。差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，利用OP07 做成一個差動放大器。

13、如下圖5。圖5 OP07差動放大器4.電路特點分析由上述分析可知，模擬電壓U大于基準電壓U1時，在對模擬電壓U定時積分后對零電平進行定值積分，波形圖如圖4所示。而當模擬電壓U小于基準電壓U1時，在對模擬電壓U定時積分后應對U0進行定值積分，只需在軟件設計上加以區(qū)別或提供負值的基準電壓即可。本電路充分利用了單片機成本低廉、可靠性高的優(yōu)勢，主要元件僅僅為一個單片機89C5 1、一個多通道模擬開關CD4051、一個四運放LM324，因而結構簡單，性價比高。實際應用表明，此雙積分型AD轉換器的特點是工作性能穩(wěn)定并且抗干擾能力比較強，但從原理分析可知，該電路存在固有的延遲，因此不適合采集連續(xù)快速變化的信

14、號。45.提高AD轉換精度的方法1、擴大計數(shù)器容量由于計數(shù)器工作方式時的計數(shù)脈沖，如：周期為1O，而計數(shù)器只有8位，因此必然會產生積分器計數(shù)器溢出的情況。因此必須在RAM中指定某個單元為計數(shù)值的高位存放單元，把計數(shù)器內的溢出值不斷累加到該單元內。這相當擴大了計數(shù)器的容量，相應提高了AD轉換的分辨率。2、提高計數(shù)時鐘頻率在采樣時間保持不變的情況下，提高計數(shù)時的時鐘頻率也可使分辨率增加。3、延長采樣周期：這是在犧牲時間的前提下提高分辨率，只適用于靜態(tài)稱量的電子衡器，如果采樣時間太長，將使秤反應遲鈍。四軟件設計軟件流程：五.系統(tǒng)測試測試結果分析對于微壓力傳感器，在電路設計時只需選擇合適的降壓電阻，通過A/D 轉換器直接將電阻上的電壓轉換為數(shù)字信號即可，電路調試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。電路在實際測量中存在一定的誤差，主要是由于溫漂和一些外部干擾造成的，見表1。 表1 測量數(shù)據(jù)由壓力傳感器產生電壓與放大器形成電壓回路，從而在取樣電阻上產生一定壓降，并將此電壓值輸入到放大器OP07 的3 腳。OP07與其相連接的電阻構成可調整電壓放大電路，將壓力傳感器電流在取樣電阻上的電壓值進行放大并通過OP07 的1 腳輸出至