壓力傳感器應(yīng)用論文

1、傳感器的應(yīng)用 壓 力 傳 感 器姓名：白智偉學(xué)號(hào)：2011081403班級(jí)：2011級(jí)電本2班壓力傳感器摘要：壓力傳感器以stc11f04e 單片機(jī)為中心控制系統(tǒng).主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜 線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí) ，電阻應(yīng)變片受到拉伸或壓縮應(yīng)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(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)信號(hào)，再 經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后用放大器將此信號(hào)放大。用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)變的數(shù)字量 經(jīng)單片機(jī)處理。最后由LCD將其顯示。關(guān)鍵詞：stc11f04e ；傳感器；雙積分型AlD 轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 總體設(shè)計(jì)思

2、路本設(shè)計(jì)主要由壓力傳感器，運(yùn)算放大器，雙積分型AlD轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)，LCD 顯示屏構(gòu)成。總體框架如下圖1。圖1總體電路框圖各個(gè)單元電路設(shè)計(jì)1.壓力傳感器的設(shè)計(jì)采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器 。是由電阻應(yīng)變片組成的測(cè)量電路和彈性敏感元件組合起 來的傳感器。當(dāng)彈性敏感元件受到壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在表面的電阻應(yīng) 變片也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片阻 值的變化。把4個(gè)電阻應(yīng)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(duì)應(yīng)關(guān)系具有近似線性的關(guān)系。找到壓力變化和輸出共模電壓變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3、 ， 就可以通過測(cè)量共模電壓得到壓力值。2. 輸入放大電路的設(shè)計(jì)由于所測(cè)出的微壓力傳感器兩端的電壓信號(hào)較弱 ，所以電壓在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換 之前必須經(jīng)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(shè)計(jì)采用OP07集成運(yùn)算放大器構(gòu)成同相比例放大電路 ，以提高電路的輸入阻抗，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3. 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)A/ D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部分 ，也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一種重要的功能接口。目前市場(chǎng)上有兩種常用的 A/D轉(zhuǎn)換芯片，一類是逐次逼近式的，如AD1674，其 特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較高，功率較低。另一類是雙積分式的，如ICL7135，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度 高、抗干擾能力強(qiáng)。但

4、高位數(shù)的 A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格相對(duì)較高。本文介紹的一種基于單片機(jī)的 高精度、雙積分型 A/ D轉(zhuǎn)換電路，具有電路體積小、成本低、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試 容易和工作可靠等特點(diǎn)，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。4顯示電路本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)陣式液晶顯示器 （LCD）顯 示。液晶顯示器顯示功能強(qiáng)大，可顯示各 種字體的數(shù)字、圖像，還可以自定義顯示內(nèi)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(jī)界面。三理論分析及計(jì)算1.壓力傳感器主要組成部分及基本電路一、電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù) KO我們來介紹一下它的意義。設(shè)有一個(gè)金屬

5、電阻絲,其長(zhǎng)度為L(zhǎng),橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S,其電阻率 記作p,這種材料的泊松系數(shù)是 o當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R：R = P L/S ()(2 1)當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng) 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(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作o對(duì)式(2-1 )求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。我們有： R = L/S + L P /S - 2) P L/S2 (用式(2-1 )去除式(2-2 )得到 R/R = / P + S/SL 23)另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面

6、積S = r2則 S = 2 r*所以T , S/S = 2 r24)(從材料力學(xué)我們知道 r/r = - L/L 2 5)其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的°是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式(2 4)( 2 5)代入(2-3)，有 R/R = / P + L/L + 2 L/L=(1 + 2 ( / (p)LL)* L/L=K * L/L 2-6()其中K = 1 + 2 + ( ( pL/(2-7)式(2-6)說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率(電阻相對(duì)變化)和電阻絲伸長(zhǎng)率(長(zhǎng)度相對(duì)變化)之間的關(guān)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(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)：它和

7、應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的K值一般在1.7 3.6之間；其次K值 是一個(gè)無因次量，即它沒有量綱。在材料力學(xué)中 L/L稱作為應(yīng)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 82 、彈性體彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外 力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。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(yīng)力分布。設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁

8、 。肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一 為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加 ，而應(yīng)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(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式 ，而不再推導(dǎo)。 = 3Q( 1+ )2Eb)*( B(H2-h2)+bh2)/(B ( H3-h3 / +bh3 /(2-9 /其中：Q-截面上的剪力；E-揚(yáng)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(yīng)力狀態(tài)均是局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是平均”狀。三、檢測(cè)電路檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂?/p>

9、很多優(yōu) 點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器 的補(bǔ)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(yīng)用 。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`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 。式壓力傳感器實(shí)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(gè)具有至 少兩個(gè)可變橋臂的4電阻結(jié)構(gòu)的電電 橋，其中由所稱重量引起的電阻變化可產(chǎn) 生一個(gè)疊加在2.5 V （電源電壓的一半）.專業(yè)資料.共模電壓之上的差分電壓。典型的電電橋通常使用300 的電阻器路2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換電路圖2壓力

10、傳感器的基本電如圖3所示，運(yùn)放A1、R、C構(gòu)成 積分電路，C常取0. 22 的聚丙烯電 容，R常取500k 左右，A2是電壓跟 隨器，為電路提供穩(wěn)定的比較電壓，運(yùn)放A3作為電壓比較器，保證A/ D轉(zhuǎn)換電 平迅速翻轉(zhuǎn),CD4051是多路選擇開關(guān), 單片機(jī)P1 . 0、P1 . 1、P1 . 2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(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓，Uin為 積分器的輸入電壓，UO為比較電壓，U1為基準(zhǔn)電壓，為使A/ D轉(zhuǎn)換結(jié)果具有 更高的精度，基準(zhǔn)電路應(yīng)該提供精確的電 壓，建議使用精度為1 %的精密電阻，單 分電路提供精確的時(shí)間定時(shí)

11、，計(jì)數(shù)器T1 用來記錄反向積分時(shí)間，INTO用來檢測(cè) 比較器電平變化。所需測(cè)量的模擬輸入信 號(hào)和零點(diǎn)參考電壓以及基準(zhǔn)電壓接到多路 選擇開關(guān)的輸入端，通過單片機(jī)中的程序 控制，輪流選擇接入各路輸入信號(hào)，通過 積分電路分別和固定電壓進(jìn)行定時(shí)或定值 積分，積分電路的輸岀信號(hào)作為比較器的 輸入信號(hào)與比較電壓進(jìn)行比較，當(dāng)比較器 輸出翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，CPU計(jì)數(shù)器停止計(jì) 數(shù)，從而獲得零點(diǎn)參考電壓的計(jì)數(shù)值，對(duì) 這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算后，完成A/ D轉(zhuǎn) 換。片機(jī)使用；9C51，其內(nèi)部定時(shí)器TO為積2轉(zhuǎn)換過程為了給積分電路提供積分零點(diǎn)，在系統(tǒng) 上電階段，積分電路先接通 GND ,待比 較器輸岀為低電平時(shí)，再對(duì)積分電路進(jìn)

12、行 一段時(shí)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(gè) 階段：(1清零階段當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，積分電容上聚集了大量 電荷，必須對(duì)其放電為后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換 提供精確的零起始點(diǎn)。即對(duì)Uo進(jìn)行定值 積分，由由此可見放電時(shí)間根據(jù)Uo、U1、R、C具體值而定。血A叭扯E(2積分階段：對(duì)模擬輸入電壓Uin進(jìn)行固定時(shí)間積分,積分時(shí)長(zhǎng)T1,由A/ D的精度決定,精度越高積分時(shí)間越長(zhǎng),此 階段積分器的輸出電壓山-掃Sw)+兒比較階段：對(duì)模擬輸入電壓進(jìn)行定時(shí)積分后.專業(yè)資料.再對(duì)零電平進(jìn)行反向積分直到比較器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此階段積分器輸出電壓為TU-Ul)+U. RC由比較器原理得U10=

13、U1，由此可得其中T1、UO、R、C、U1均為常數(shù)，即對(duì)零電平的積分時(shí)間To與模擬輸入電 壓U成正比，TO即為所求值。具體轉(zhuǎn)換波形如圖4所示3. 放大電路高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，利用OP07做成一個(gè)差動(dòng)放大器。如下圖5。圖5 OP07差動(dòng)放大器4. 電路特點(diǎn)分析由上述分析可知，模擬電壓U大于基準(zhǔn)電壓U1時(shí)，在對(duì)模擬電壓U定時(shí)積分后 對(duì)零電平進(jìn)行定值積分，波形圖如圖4所示。而當(dāng)模擬電壓U小于基準(zhǔn)電壓U1 時(shí)，在對(duì)模擬電壓U定時(shí)積分后應(yīng)對(duì)UO進(jìn)行定值積分，只需在軟件設(shè)計(jì)上加以區(qū) 別或提供負(fù)值的基準(zhǔn)電壓即可。本電路充分利用了單片機(jī)成本低廉、可靠性

14、高的優(yōu)勢(shì)，主要元件僅僅為一個(gè)單片機(jī)89C5 1、一個(gè)多通道模擬開關(guān)CD4051、一個(gè)四 運(yùn)放LM324，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高。實(shí)際應(yīng)用表明，此雙積分型A/D轉(zhuǎn)換 器的特點(diǎn)是工作性能穩(wěn)定并且抗干擾能力比較強(qiáng)，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)快速變化的信號(hào)。45. 提高A/D轉(zhuǎn)換精度的方法1、擴(kuò)大計(jì)數(shù)器容量由于計(jì)數(shù)器工作方式時(shí)的計(jì)數(shù)脈沖 ，女口：周期為10,而計(jì)數(shù) 器只有8位，因此必然會(huì)產(chǎn)生積分器計(jì)數(shù)器溢出的情況。因此必須在RAM中指定 某個(gè)單元為計(jì)數(shù)值的高位存放單元，把計(jì)數(shù)器內(nèi)的溢出值不斷累加到該單元內(nèi)。這 相當(dāng)擴(kuò)大了計(jì)數(shù)器的容量，相應(yīng)提高了 A/D轉(zhuǎn)換的分辨率。2、

15、提高計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率在采樣時(shí)間保持不變的情況下 ，提高計(jì)數(shù)時(shí)的時(shí)鐘頻率也可 使分辨率增加。3、延長(zhǎng)采樣周期：這是在犧牲時(shí)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(shí)間太長(zhǎng)，將使秤反應(yīng)遲鈍。四. 軟件設(shè)計(jì)軟件流程：五. 系統(tǒng)測(cè)試測(cè)試結(jié)果分析，通過AID轉(zhuǎn)換器直接將電。電路在實(shí)際測(cè)量中存在一對(duì)于微壓力傳感器，在電路設(shè)計(jì)時(shí)只需選擇合適的降壓電阻 阻上的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)即可，電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理都比較簡(jiǎn)單 定的誤差，主要是由于溫漂和一些外部干擾造成的，見表1。嘗舉撫釈丨-Ul2 41.9234 Iy(I 2175表1測(cè)量數(shù)據(jù)由壓力傳感器產(chǎn)生電壓與放大器形成電壓回路，從而在取樣電阻上產(chǎn)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(gòu)成可調(diào)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(jìn)行放大并通過OP07的