電子秤制作實(shí)驗(yàn)

首屆全國(guó)大學(xué)生基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽專題講座技能訓(xùn)練目標(biāo)要求:

1.了解傳感器的作用與工程應(yīng)用情況

2.了解傳感器的分類(lèi)

3.了解應(yīng)變片的原理與用途4.學(xué)會(huì)應(yīng)變測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與制作5.掌握電橋測(cè)量電路的制作要領(lǐng)電子秤的制作傳感器應(yīng)用項(xiàng)目要求利用電阻應(yīng)變式傳感器制作一個(gè)電子稱，測(cè)量范圍為2kg,其分辨力為0.1克，測(cè)量精度0.5％RD±l字利用液晶屏顯示測(cè)量值。項(xiàng)目目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：1、掌握電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路和工作原理

2、掌握自感式傳感器的結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路和工作原理能力目標(biāo)：1、能利用電阻應(yīng)變傳感器實(shí)現(xiàn)壓力等信號(hào)的檢測(cè)2、能利用電感式傳感器實(shí)現(xiàn)氣體壓力等信號(hào)的檢測(cè)素質(zhì)目標(biāo)：

1、培養(yǎng)耐心細(xì)致的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)的工作作風(fēng)

2、培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的合作精神項(xiàng)目?jī)?nèi)容知識(shí)點(diǎn)：1、電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量壓力2、電感式傳感器測(cè)量壓力電路組裝與調(diào)試考核拓展訓(xùn)練一、應(yīng)變式傳感器概述工作原理：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高和測(cè)量速度快等應(yīng)用：廣泛航空、機(jī)械、電力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域，常用來(lái)測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等物理量電量二、電阻應(yīng)變片的種類(lèi)與結(jié)構(gòu)1．絲式應(yīng)變片：結(jié)構(gòu)如下圖所示。

2、箔式應(yīng)變片：如左圖所示，箔材厚度多為0.001-0.01mm。3.薄膜應(yīng)變片

3、薄膜應(yīng)變片：采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形狀的敏感柵。一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：三、電阻的應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，引起電阻值變化量為1、應(yīng)變效應(yīng)

軸應(yīng)變量

徑向應(yīng)變量由，得所以

則:由上面2式相除得由于得令最終可得：2、彈性敏感元件

根據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu)形式（柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪輻式）和受載性質(zhì)（拉、壓、彎曲、剪切等）的不同，它們可分為許多種類(lèi)。

（1)柱式彈性元件（2）薄壁圓筒（3）懸臂梁彈性圓柱

薄壁圓筒受力分析等截面懸臂梁

等強(qiáng)度懸臂梁一、自感式傳感器1、基本變間隙自感式傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。工作時(shí)銜鐵與被測(cè)物體連接，被測(cè)物體的位移將引起空氣間隙長(zhǎng)度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。

線圈的電感

設(shè)傳感器的初始間隙長(zhǎng)度為δ0，面積為So，線性化處理后的電感相對(duì)增量為

電感相對(duì)增量靈敏度K為

為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變間隙式電感傳感器。2、差動(dòng)變間隙式傳感器

如圖所示為差動(dòng)變間隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。差動(dòng)形式輸出的總電感變化量近似為電感相對(duì)變化量為

則電感相對(duì)增量靈敏度K為

結(jié)論：

①差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍；

②差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。3、螺管型電感式傳感器

如圖所示為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也隨之變化，線圈電感量的大小與銜鐵位置有關(guān)，線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度x保持線性關(guān)系。電路組裝與調(diào)試1、整體設(shè)計(jì)框架及原理圖2、各部分電路設(shè)計(jì)（1）電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路常用的橋式測(cè)量電路如圖。橋式測(cè)量電路有四個(gè)電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓E，另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓Uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計(jì)來(lái)測(cè)量，所以電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化。（2）放大電路典型的差動(dòng)放大器如下圖所示，只需高精度LM358和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、儀器儀表、電氣測(cè)量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。（3）A/D轉(zhuǎn)換電路（4）顯示電路3、電路調(diào)試（1）首先在秤體自然下垂已無(wú)負(fù)載時(shí)調(diào)整RP1，使顯示器準(zhǔn)確顯示零。（2）再調(diào)整Rp2，使秤體承擔(dān)滿量程重量（本電路選滿量程為2千克）時(shí)顯示滿量程值。（調(diào)節(jié)Rp2衰減比）（3）然后在秤鉤下懸掛1千克的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，觀察顯示器是否顯示1.000，如有偏差，可調(diào)整RP3值，使之準(zhǔn)確顯示1.000。（4）重新進(jìn)行2、3步驟，使之均滿足要求為止。（5）最后測(cè)量RP2、RP3電阻值，并用固定精密電阻予以代替。RP1可引出表外調(diào)整。測(cè)量前先調(diào)整RP1，使顯示器回零。拓展訓(xùn)練：請(qǐng)選用電感式傳感器制作電子稱。a圖中：

b圖中：四．電阻應(yīng)變儀介紹矩形截面梁的純彎曲一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、測(cè)定梁在純彎曲的彎曲正應(yīng)力；

2、初步掌握電測(cè)方法。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、簡(jiǎn)易加載設(shè)備；

2、電阻應(yīng)變儀；

3、矩形截面鋼梁。

四．電阻應(yīng)變儀介紹2．萬(wàn)用表（測(cè)量應(yīng)變片電阻值等用）。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．初步掌握常溫用電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)。2．為后續(xù)電測(cè)實(shí)驗(yàn)做好在試件上粘貼應(yīng)變片，接線、檢查等準(zhǔn)備工作。二、實(shí)驗(yàn)儀器1．常溫用電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變花。3．兆歐表（測(cè)量應(yīng)變片絕緣電阻用）。4．等強(qiáng)度梁試件，同質(zhì)溫度補(bǔ)償塊。六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)三、實(shí)驗(yàn)方法和步驟1．試件準(zhǔn)備6．電烙鐵，鑷子，銼刀等工具。7．丙酮，脫酯棉等清洗器材。8．測(cè)量導(dǎo)線，接線端子若干。本實(shí)驗(yàn)是在等強(qiáng)度梁及溫度補(bǔ)償塊上粘貼應(yīng)變片、應(yīng)變花，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，貼片質(zhì)量的好壞直接影響到后續(xù)實(shí)驗(yàn)成敗，所以貼片的每一環(huán)節(jié)，都要認(rèn)真仔細(xì)。

等強(qiáng)度梁試件及溫度補(bǔ)償塊尺寸及應(yīng)變片分布（正反面相同）如圖一所示：六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)應(yīng)變花應(yīng)變片固定孔等強(qiáng)度梁45°溫度補(bǔ)償塊加力孔50160200330

圖一等強(qiáng)度梁、補(bǔ)償塊布片圖

(1)先用銼刀、砂布等工具將試件待貼位置進(jìn)行打磨，仔細(xì)地除去銹斑、氧化皮、污垢等覆蓋層，到表面平整有光澤。最后再用砂布輕輕磨成與應(yīng)變片粘貼方向成４５°的一些條紋。六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)(2)按圖一所示布片位置用直尺、鋼針畫(huà)出應(yīng)變片定位線。(3)用脫酯棉球蘸丙酮清洗待貼表面以除去油脂、灰塵等。表面清洗應(yīng)至棉球沒(méi)有污跡為止。2．應(yīng)變片的準(zhǔn)備(1)檢查應(yīng)變片（花）的外觀，剔除那些敏感柵有形狀缺陷，片內(nèi)夾有氣泡、銹點(diǎn)等應(yīng)變片（花）。(2)用萬(wàn)用表測(cè)量各應(yīng)變片（花）的電阻值，每小組選擇電阻值差在±0.5歐姆內(nèi)的應(yīng)變片6枚，應(yīng)變花2枚供貼片用。六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)3．貼片(1)一手捏住應(yīng)變片（花）引出線，一手拿502粘合劑小瓶，將瓶口向下在應(yīng)變片基底底面涂抹一層（一滴即可）粘合劑，涂粘合劑后立即將應(yīng)變片底面向下平放在試件貼片部位上，并使應(yīng)變片底基準(zhǔn)線與試件上的定位線對(duì)齊，將一小片玻璃紙（包應(yīng)變片的袋——聚四氯乙烯薄膜）蓋在應(yīng)變片上，用手指按壓擠出多余粘合劑（注意按壓時(shí)不要將應(yīng)變片移動(dòng)），手指保持不動(dòng)約一分鐘再放開(kāi)，輕輕掀開(kāi)玻璃紙膜，檢查有無(wú)氣泡、翹曲、脫膠現(xiàn)象。(2)再將玻璃紙蓋在應(yīng)變片上，一手指按壓在應(yīng)變片引出線端上，另一手指捏住引出線輕輕提起使之與試件脫離。六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)(3)用萬(wàn)用表檢查應(yīng)變片兩引線間電阻是否良好，如屬焊點(diǎn)與引出線脫開(kāi)可補(bǔ)焊。4．接線（1）在應(yīng)變片引出線下方的試件上粘貼膠帶紙（寬度＞10mm）使引線與試件絕緣。（2）將浮銅板制成的接線端子用膠水粘在各應(yīng)變片引出線的前方，如圖二所示。在接線端子上上好焊錫，用鑷子輕輕將應(yīng)變片引出線與接線端子靠近，再用電烙鐵把引出線焊在端子上，焊接要迅速，時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，焊點(diǎn)要求光滑，不能虛焊，多余的引出線可剪斷。六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)5.檢查、防護(hù)(1)膠層固化后，用萬(wàn)用表測(cè)量，應(yīng)變片阻值應(yīng)無(wú)明顯變化。

(2)用兆歐表檢查各應(yīng)變片（一根引線）與試件之間的絕緣電阻，一般測(cè)量電阻應(yīng)大于100MΩ。(3)如需要防潮，可用烙鐵融化石蠟覆蓋應(yīng)變片區(qū)域即可，還可在石蠟層上用絕緣帶纏起來(lái)，以防測(cè)量中機(jī)械損壞。

圖二應(yīng)變片與導(dǎo)線的連接膠帶紙接線端子導(dǎo)線應(yīng)變片焊錫六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（1）畫(huà)出等強(qiáng)度梁布片圖。（2）簡(jiǎn)述貼片、接線、檢查等步驟。（3）談?wù)勛约嘿N片的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。6.結(jié)束工作（1）將貼好應(yīng)變片的試件、補(bǔ)償塊妥善保存，以備后用。

（2）清理現(xiàn)場(chǎng)，物品歸位。

六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)1.選點(diǎn)及工件表面清理。

采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)2.打磨。

用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)3.清洗

用浸有酒精（或丙酮）的紗布片或脫脂棉球擦洗

干燥、劃線、量阻值六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)4.貼片。

在應(yīng)變片的表面和處理過(guò)的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)5.排氣。

用鑷子將應(yīng)變片放上并調(diào)好位置，然后蓋上薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡

六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)6.分開(kāi)端子

把應(yīng)變片的端子用手輕輕的分開(kāi)，以免和應(yīng)變片脫離

六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)7.測(cè)量電阻。

從分開(kāi)的端子處用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，防止端子折斷和壞的應(yīng)變片六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)8.焊接。

把引線和端子的用點(diǎn)焊的方式焊接，要小心端子折斷六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)

9.固定。

焊接后用膠布將引線和測(cè)量對(duì)象固定在一起，防止引線和應(yīng)變片脫離六.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)項(xiàng)目一：電子稱的設(shè)計(jì)與制作技能訓(xùn)練目標(biāo)要求:

1.了解傳感器的作用與工程應(yīng)用情況

2.了解傳感器的分類(lèi)

3.了解應(yīng)變片的原理與用途4.學(xué)會(huì)應(yīng)變測(cè)量電路的設(shè)計(jì)與制作5.掌握電橋測(cè)量電路的制作要領(lǐng)1.1傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1概述

1.定義

傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的機(jī)械電子裝置。如下圖所示:物理量電量

2.傳感器的組成

傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。如下圖的溫度電阻。

dV湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)5.傳感器的命名由主題詞加四級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成。

主題詞——傳感器；第一級(jí)修飾語(yǔ)——被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)；第二級(jí)修飾語(yǔ)——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字；第三級(jí)修飾語(yǔ)——特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字；第四級(jí)修飾語(yǔ)——主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。1.1.2傳感器的主要特性參數(shù)1.靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅骰驒z測(cè)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值。它是輸入與輸出特性曲線的斜率，如右圖所示，可表示為：

2.分辨率分辨率是指檢測(cè)儀表能夠精確檢測(cè)出被測(cè)量最小變化值的能力。輸入量從某個(gè)任意值緩慢增加，直到可以測(cè)量到輸出的變化為止，此時(shí)的輸入量就是分辨率?？梢杂媒^對(duì)值，也可以用量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。靈敏度愈高，分辨率愈好。

3.線性度與非線性誤差線性度是用實(shí)測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)輸入-—輸出特性曲線與擬合直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來(lái)表示的，如下圖所示。線性度可用非線性誤差來(lái)表示，計(jì)算式為：4.遲滯遲滯特性表明檢測(cè)系統(tǒng)在正向和反向行程期間，輸入—輸出特性曲線不一致的程度。如右下圖所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，找出輸出量的這種最大差值，并以滿量程輸出YFS的百分?jǐn)?shù)表示，如下式：

1.2檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常是由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成。檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖如下：1.3相對(duì)誤差相對(duì)誤差是儀表指示值的絕對(duì)誤差δ與被測(cè)量真值x0的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示，即

相對(duì)誤差比絕對(duì)誤差能更好地說(shuō)明測(cè)量的精確程度。在上面的例子中:

引用誤差是絕對(duì)誤差與儀表量程上的比值，通常以百分?jǐn)?shù)表示。引用誤差

如果以測(cè)量?jī)x表整個(gè)量程中，可能出現(xiàn)的絕對(duì)誤差最大值δm代替δ，則可得到最大引用誤差r0m。對(duì)一臺(tái)確定的儀表或一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，最大引用誤差就是一個(gè)定值。

湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)1.4電阻應(yīng)變應(yīng)變片電阻應(yīng)變片基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即阻值隨機(jī)械變形的變化而發(fā)生變。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)1)工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù)金屬應(yīng)變片的電阻R為代入湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)有：金屬絲：金屬絲體積不變：湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)有：對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率不變：金屬絲應(yīng)變片：湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)化為：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大;體積小;缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)3)應(yīng)變片的主要參數(shù)

其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用

b×L表示。電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)4)應(yīng)變片測(cè)量電路VER1R2R3R4湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)5)應(yīng)用：測(cè)力湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院傳感器與檢測(cè)技術(shù)案例：電子稱原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。1.5電子稱的制作

1、原理

如圖所示，采用E350~ZAA箔式應(yīng)變片，其常態(tài)阻值為350Ω。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院