传感器课程设计

哈尔滨远东理工学院传感器课程设计小型称重系统设计

姓名：

专业：电子信息工程

学号：

指导教师：

机器人学院

二0一七年六月二十五日

目录

第1章绪论............................................... 错误!未定义书签。

选题背景............................................... 错误!未定义书签。

目的和意义............................................. 错误!未定义书签。第2章设计方案及其论述..................................... 错误!未定义书签。

模型建立及电路原理..................................... 错误!未定义书签。

电路图 (4)

第3章数据图表及分析 (6)

数据图表 (6)

数据分析 (7)

结论 (8)

第1章绪论

选题背景

称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子称重器是电子称重器中的一种，称重器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，称重器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。因此，称重技术的研究和称重器工业的发展各国都非常重视。工业生产中，称重传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域，可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。本实验是利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。硬件部分是在Multisim中仿真设计，使用电压变化进行模拟测量物体重量从而达到实验效果。

目的和意义

1）掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂、全桥电桥工作原理和性能。

2）学会建立仿真模型。

3）比较单臂双臂与全桥电桥的不同性能、了解其特点。

4）学会使用全桥电路。

5）了解物体重量与电压的关系效应。

6）了解电路原理。

第2章 设计方案及其论述

模型建立及电路原理

1.传感器模型的建立

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值将随着压力所产生的变化而变化。对于金属导体，电阻变化率的表达式为：

εμ)21(+≈∆R R

0k 通常把单位应变所引起电阻相对变化称作电阻丝的灵敏系数，对于金属导体，其表达式

为：

()με

21/k 0+=∆=

R

R

所以：

ε0k =∆R

R

在外力作用下,应变片产生变化,同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为△R 时，可得到应变值ε，根据应力与应变关系，得到应力值为

εσE =

式中： σ-应力,ε-应变（为轴向应变），E-材料的弹性模量。 又重力G 与应力σ的关系为：

S

G σ=

=mg

式中： G-重力,S-应变片截面积 根据以上各式可得到：

mg k 0

ES

R R =∆

由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即

m gR ES

k R *0=∆

根据应变片常用的材料（如康铜）取

()()[]m

R s m G R mm S mm kg E k 0.004185m 10016300/3488.92/8.9;348;100;/16300;220220=⨯⨯⨯=∆=Ω====

所以在Multisim 中可用建立以下模型来代替应变片进行仿真，模型如图2-1

图2-1

2.桥路部分电路原理

电阻应变计把机械应变转换成ΔR/R 后，必须采用转换电路通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。单臂电桥,如图2-2

图2-2

当电桥平衡时,相对的两臂电阻乘积相等,即：

()()()()

341211113403

241/1//1//R R R R R R R R R R U R R R R ++∆+∆=

•=• 设桥臂比n=R2/R1 由于R1<

()2

1110n 1n

/+=∆=

U R R U S V

从上式分析发现：

(1)桥电压灵敏度正比于电桥供电电压。

(2)电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n 的函数，必须恰当的选择n 的值，保证电桥具有较高的灵敏度。

电路图

1单臂电桥

图2-3 2双臂电桥

图2-4 3四臂电桥

图2-5

第3章数据图表及分析

数据图表

设置电路的输入端为15V的直流电源，固定电阻为348Ω，电桥端电压分别为——的十组数据进行对比分析。如表3-1

电压(V)单臂（uV）双臂(uV)四臂(uV)

表3-1

分析数据发现电压随着彼数增加而翻倍，如表3-2，表3-3

数据分析

柱状图

表3-2折线图

表3-3

结论

控制系统的开发和设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行和调试过程继续进行。从整个小型电子称重器的设计过程中可看出，高速，高灵敏度，体积小，重量轻，携带方便，显示直观、测量精度高等特点。

在试验中使用三种电桥：单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着变化。当R

<

试验中使用的是金属箔式应变片，金属箔的一面涂胶形成胶底，然后在箔面上用照相腐蚀成形法制成的，所以几何形状和尺寸非常精密，箔式片有下列优点：1随着光刻技术的发展，箔式片能保证尺寸准确、线条均匀，故灵敏系数分散性小。尤其突出的是能制成栅长很小或敏感栅图案特殊的应变片2箔式片栅丝截面为矩形，故栅丝周表面积大，因而散热性好。这样，在相同截面积下，允许通过的电流较丝绕式片的大，使测量有输出较大信号的可能。另外，表面积大使附着力增加，有利于变形传递，因而增加了测量的准确性3箔式片敏感栅横向部分的线条宽度比纵向部分的大得多，因而单位长度的电阻也小很多，使箔式片横向效应很小。

总之，知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。通过这次课程设计，我们即学会了使用Multisim软件，也掌握了一些有用的知识，这对我们以后的学习和生活非常的有帮助，也使得我们对自己的总体知识水平有了一个了解。懂得了知识的重要性。使我学会了如何运用所学的知识收集、归纳相关资料解决具体问题的方法，加强了我的动手能力、分析和解决问题的能力、以及增强综合运用知识的能力。