课程设计-电阻应变式称重传感器设计

电阻应变式称重传感器设计

摘要：在分析重力传感器信号特性的基础上，模块化地设计了称重传感器信号的调理电路并对其进行了仿真实验。结果表明：电路能实时、准确地处理信号，且工作稳定，可靠，重复性好，抗干扰能力强，可实现精密测量的目的。

关键词：称重；Lab view；电阻应变式传感器；放大电路。

一、引言

随着现代数据采集系统的不断发展，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。由于传感器输出的信号往往存在温漂、信号比较小及非线性等问题，

因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，这样一来，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，并且其电路设计的优化程度直接关系

到数据采集系统的精度和稳定性。

在称重传感器信号检测中，检测精度受到诸多因素的影响，其中电桥激励电压源的精度和稳定度是影响信号精确度的重要因素之一。电桥输出与激励电压成正比，因此，激励电压出现任何漂移都将导致电桥输出出现相应的漂移。并且现场工作环境恶劣，可能存在粉尘、振动、噪声以及电磁干扰等，称重传感器输出的几百微伏至几十毫伏信号极易受到干扰。所以研究抗干扰能力强、实时性好的信号变送和传输技术对保证检测精度具有重要意义。

二工作原理

1、原理框图

2、称重传感器（MS-1）

MS—1型钢制“S”称重传感器，承受拉、压外力均可，输出对称性好，结构紧凑、安装方便、规格齐全。可用于制造机电结合称、吊钩秤、料斗秤及各种专用称、工艺称等。

外形尺寸

量程：50kg；

尺寸：A=51mm；B=13mm；C=64mm；螺纹（公制mm）：M8×1.25；

技术指标：

标定数据：

转换系数K:

应变片测量电路：

上图为直流供电的测量电桥原理图，其中第一臂为电阻应变片，由应变片引起的电阻变化为△R1，当R1=R2、R3=R4时，电桥的电压灵敏度S U为最大，此时有：U0=(1)

S U=U0/(2)

U0=(3)

采用差动电桥可以消除非线性误差。因此本设计电阻应变式称重传感器选用直流供电应变全桥，该电桥的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了4倍，且具有温度补偿作用。

3、放大电路

R1=10K；R2=2.4K; R3=238K; R4=2.4K; R5=100K

放大倍数K=(R3/R2)×(R5/R4)≈4100;

N1 N2N3均为OP07:

由于称重传感器的输出电压最大值为19.998毫伏，而采集卡的有效幅值范围为±10V，再加上给称重传感器施加的力达不到最大值。因此，我们对总的放大倍数定位4000倍左右。从而使放大电路的输出电压值在-10V～+10V之间，以此达到了数据采集卡的要求。

实际电路截图：

4、数据采集

数据采集用的是NI数据采集卡，其型号是CB-68LP,如下图示：

由于虚拟仪器软件中的DAQ选择的是通道1，所以只接采集卡的68和34

管脚，为了使电路能达到平衡在67和34、67和68之间均接了阻值为2K的电阻，从而使数据显示的结果能更加精确。

5、Lab view处理

对于数据的处理我们采用的是虚拟仪器软件（Lab view7.1）。

前面板截图：

后面板截图：

DAQ使用方法介绍：

因为数据采集卡的输入信号是模拟信号，因此选取Analog Input

放大电路输出的是电压信号，故选用V oltage

通道选取0同道，接线的时候正向输入接68管脚，34管脚接负向输入。

数据采集卡的测量电压范围为－10V～+10V，因此输入范围最大值选10V，最小值选－10V。电路采用的是差东放大，因此终端配置选择差动式（Differential）

软件程序介绍：

为了能既可以是用手动采集数据和自动采集数据，因此程序的设计使用了CASE。当选择键打到手动挡是，程序运行后点击前面板的手动采集按钮即可手

动获得测量数据。而当打到自动挡是，运行程序后即可自动获得测量数据。

这段程序将DAQ采集到的数据分离出来，并将其转

换成被测力的量值。其中系数0.3999575是通过传感器的标定数据中的到的。

了防止采集数据的速度过快。

这段程序是在所得数据中进行采样，并使其以波形图

的形式在示波器显示。

这段程序的作用是实时显示测量结果，即显示测量结果的同时显示得到该数据的时间。

这段程序的作用是将采集到的数据予以保存，保存的路径为程序所在的文件夹。

这段程序的作用是将测量接过以表格的形式显示在

前面板的结果显示中。

三使用方法

1、将传感器安装在被测系统中，安装时应使受力方向通过传感器的中心线（拉

压、称重），以防实测中产生侧向力影响测量精度。

2、按原理图接好线路：

红线——电源正；

蓝线——电源负；

黄、白线为输出端接二次仪表

黄线——输出正；

白线——输出负；

3、测力时，将传感器接上直流电源，大小为12V。测量前，先将传感器预热10

分钟。然后点开Lab view程序，运行程序。

4、加上欲测力进行测试。

四注意事项

1、工作环境尽可能清洁，避免与较高的非工作热源接触。

2、在输出端用公共地线时，传感器供桥电压必须单一使用，严禁两只以上的传

感器共用一个电源。

3、传感器不得随意拧开外壳或扭动固紧螺钉。

4、传感器应定期进行静态标定，以保证使用精度。

5、最大载荷力不应超过满量程的150%。

五硬件电路设计与调试心得

在这次课程设计中，我主要负责硬件部分的设计工作。

硬件电路主要包括直流电源、MS—1型钢制“S”称重传感器、应变片桥式测量电路、电压放大电路，信号采集电路。

其中传感器需提供+12V直流，电压放大电路中OP07芯片需±12V电源，由于已有做好模块，直接选用。选用的MS—1型钢制“S”称重传感器中已将应变片桥式测量电路集成在其中，测量电路也不用设计。信号采集部分选用NI数据采集卡，其型号是CB-68LP。

所以需要设计的是电压放大电路。

由于MS—1型钢制“S”称重传感器电压输出为3～10MV,而CB-68LP数据采集卡采集电压为±10V。需放大1000倍左右。

最初的想法是采用下图所示的高公模抑制比三运放放大电路，由于采用差动输入，可有效抑制干扰信号。

Vout R

搭出了上述电路，由于电路复杂，电阻不好匹配，调试困难，经过两日努力，没有实质性进展，后来经组里讨论，放弃了该方案。其实也由于这次放弃，导致最终的结果也不是很理想。

后来采用了级联的放大电路，搭出了串联型的三级放大，经测试没有放大效果。觉得很泄气。学了几年，连一个放大电路也做不出来。经过一日思考，觉得自己有总体性要求，但细节处理不好。

接下来就一步一步从头开始做。先做一级放大。最初有一个很天真的想法，