传感器与测试技术课程设计

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传感器与测试技术课程设计

《荷重传感器及电子秤》

课程设计

分校（站、点）：

年级、专业：机械制造及其自动化

一，设计简述

随着现代化生产的发展，电子秤在许多商业活动中已成为不可缺少的计量工具。电子秤作为一个典型的自动检测系统，也可归纳为由三大环节所组成。

如图1所示一次仪表通常指的是传感器，它是由敏感元件，电路，机构等组成，是利用某些特殊材料对某些物理量具有一定的敏感，然后转换成电量（电压，电流）。通常来自一次仪表的电信号比较弱小，不足以驱动显示器。为此采用二次仪表对信号进行放大；来自一次仪表的电信号往往还夹带外部的干扰信号，必须把它去除，一般二次仪表还包括滤波电路用以消除干扰。传感器的转换关系往往并不服从线性关系，所以有时还需要进行适当的线性补偿处理。故称二次仪表为测量与显示部件。

二次仪表的输出信号可能是模拟量，也可能是数字量。三次仪表是采用了计算机技术，所以要求二次仪表的输出信号必须是数字信号。三次仪表将进一步对信号进行处理并形成控制量输出。作为规模较小的仪表系统，三次仪表主要是以中央处理器为核心的数字电路，组成智能化仪表。使整个测量系统的性能与功能大大提高。

图2所示的以单片机为核心部件组成三次仪表，它大大丰富了电子秤功能。

各种各样形式的电子秤的仪表结构都是大同小异的，都必须利用荷重传感器来采集重量信号并变换成相应大小的电信号。电子秤的二次仪表把来自荷重传感器的微弱电压信号进行放大，滤波。这不仅为了提高灵敏度，更重要的是与下一环节的电路进行正确匹配。目前大多数电子秤是数字显示方式，所以模拟信号还必须作模数转换。有了AD转换器的数码信号，就可以进行自动标度变换、自动超载报警、自动数字显示。还可以增加人机对话键盘、与外部设备的数据交换与通信、输出模拟或数字控制信号等功能。由此大大提高了性能。

二，设计过程

1、荷重传感器电子称传感器的选用

荷重传感器的形式有电阻式、电容式、压磁式等多种形式。电阻式传感器又分为金属丝（箔）式、半导体式，它们各有优缺点及使用范围。

大多数电子秤的使用场合是极为普通的室内外的大气层环境，所谓的温度条件是-10C︒～55C︒。选用金属箔式应变片传感器作为电子秤的荷重传感器是最广泛的应用。因为

金属箔式应变片在这个温度范围内具有精度高、稳定性好、线性、转换电路简单，成本较低等优点。相对半导体应变片尽管也能适用并且也有不少优点，如灵敏度高，体积小，响应速度快等。但是对温度的敏感，以前一直是它的缺陷，虽然目前已经通过激光修补工艺解决了温度补偿问题，可是生产成本高成为广泛使用的阻碍。电容式荷重传感器也是一种可选对象，但是需要稳定的交流电源作为工作电源，技术要求高，电路复杂，适用于安装空间小，响应速度快的场合。压磁式荷重传感器特别适用于环境温度较高的场合，但是精度不高，仅适用于大吨位秤重。选用荷重传感器的基本要求是：灵敏度高，函数关系呈线性，重复性好，长期稳定。

应变片传感器

在“传感器与测试技术”课程的学习中已经了解了应变效应。利用应变效应可以组成荷重传感器的论述并不多。如图3所示，为三种常见的应变片荷重传感器。

图3 金属应变片荷重传感器

图（a）为圆柱式荷重传感器，弹性元件为合金钢材料。图（b）为梁式荷重传感器，弹性元件为弹簧钢材料。图（c）为S型剪切式荷重传感器弹性元件为铝合金材料。三种结构形式的荷重传感器均为压缩式受力，根据测重范围的需要，采用不同的弹性模量的材料。通常荷重传感器的测量范围与分辨率是互相制约的，测量范围越大，则分辨率越差。反之，测量范围越小，则分辨率越好。

测量桥路

一个成品的金属箔式应变片传感器，通常在受应变的弹性元件表面按对称位置粘贴四个同质应变片，以便构成全臂电桥。如图4所示，管式弹性体的贴片位置和测量电桥。

全臂电桥的灵敏度最高，线性好，温度补偿性能也比较好。

测量电桥的输出： （2-1）

应变与荷重力的关系： （2-2）

其中，F 为荷重力，l 为管状体受力长度，r 为管状体半径，-1=1送逐次逼近寄存器暂存并供DA 转换成相应的模拟电压Vo 。这个电压送比较器与输入电压进行比较。比较结果产生两种结果：

【1】 Vx>=Vo ：Dn-1=1保留此位，再送Dn-2=1进行DA 比较；

【2】 Vx

保留或改变某一位的状态,均由比较器输出为信号,触发控制逻辑动作. 这个比较过程是逐位进行的,直到所有位都比较完毕。当转换结束后,逻辑控制会发出转换结束信号,告诉外部设备,可以读数了.

不管转换数字与实际值之间偏差多少,只要最低位一旦确定,这个数字读数就确定了.所以转换精度与数字长度有关;转换时间与数字长度有关;

设:每一位的比较过程需要时间Δt,若该AD 转换器位数为n,则一次转换周期为: T=n Δt 。

图13 逐次逼近AD 转换器的内部结构

2.积分型AD 转换器

积分型AD 转换器的特点是:转换精度高,抗干扰能力强,成本低但转换时间长,不能对变化较快的信号进行测量。但仍然被极广泛的应用。

（1）V-F 变换型AD 转换器

这种AD 是将被采样的直流电压的平均值转换成单位时间的脉冲数,在采样期间若掺入交流干扰则通过平均化而获得抑制。

图14 V-F 变换型AD 转换器框图

工作原理

若输入电压为正，经积分器运算，输出为负向变化。供比较器与V2比较。当VA<=V2时,比较器翻转,使复原电压发生器启动,输出负电压VB 幅值大于VX,经D 送输入,迫使积分器朝正向积分。最后使积分输出上升到V1,使得比较器再一次翻转.且关闭复原电压发生器，由此进入第二次循环。

数学分析:

输入Vx>0,则积分输出:

∴----------------

=∴-=-

=⎰)122(11101x

V RC V T T RC x V Vxdt RC V A T A 转换频率：

)132()(121-------=≈=V V RC x V RC V x V T f A

理解： 【1】VA=V1-V2，在T1时间内积分电压的累计是上下限电压的差。

【2】因反向积分输入电压VB 》Vx ，RC 很小，T2非常小。