小型称重系统的设计

第一章小型称重系统的意义及任务1.1 小型称重系统的概述及意义定义：称重系统——把现有各个生产环节的称重设备有机的组合到一个控制系统中，利用现代网络技术进行控制和管理。

狭义的称重系统：利用简单的电子衡器（如：电子台秤，大型汽车衡等）增加控制系统和计算机称重管理软件实现某个生产环节的自动控制和管理功能。

比如：企业生产中的配料、包装系统，进行控制、管理，实现称重数据的保存、管理、打印输出等功能。

广义的称重系统：整个工厂的所有称重设备，通过现场总线或局域网方式进行控制和管理，它还可以向上位的MRPII或ERP系统提供数据和预留数据接口。

现在，已经有许多自动化程度较高的企业应用了称重系统，例如：食品加工、石油化工、水泥制造、电力供应等行业。

电子秤基于PLC的称重系统随着社会科技的发展，称重技术也得到了广泛的应用。

称重工具已经从过去的“杆秤”、“磅秤”、“度盘指针秤”发展到现在的“电子秤”，以后称重工具的发展方向是利用核子技术“非接触测量”的核子秤。

现在利用电子秤的多种智能接口和计算机的应用软件技术就可以组成一个功能强大的称重系统。

利用这个称重系统就可以有效的提高企业智能化的科学管理，从而提高企业生产过程的管理和科学决策水平，提高企业的综合效益。

1.2 虚拟仪器虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一种新型仪器.在国外,虚拟仪器技术已经比较成熟了,由于其很强的灵活性,使得该技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。

近几年,虚拟仪器技术在国内的发展趋势也越来越收到重视。

成熟的虚拟仪器技术由三大部分组：高效的软件编程环境，模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架，该课程设计的目的就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的了解。

1.3 小型称重系统设计的任务利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。

首先在multisim中设计出应变片的仿真模型和测量电路，然后在labview中利用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值，最后把设计好的子VI导入到multisim中以完成整个设计。

本课程设计分为两部分：一、测量电路的原理与设计二：LabVIEW虚拟仪器的设计。

这两部分具体要求和功能如下：一、测量电路的原理与设计1、 在multisim 中设计出应变片的仿真模型和测量电路。

2、 测量电路包括综合电路的设计和综合电路的仿真。

3、 电压V 用来模拟物体质量m 。

二、LabVIEW 虚拟仪器的设计1、在LabVIEW 中用G 语言编程设计显示模块，直接显示称重值。

2、将设计好的子VI 模块图标导入到Multisim 中。

1.4 小型称重系统设计的系统框图本系统总体框图如下：①电桥电路：将电阻变化率RR转换成电压（或电流）。

②仪用放大电路：差分放大电路的作用是“滤去噪声，降低漂移”，反向比例放大电路的作用是“将双端输入变成单端输入并放大电压”。

③比例放大电路：方便调节，并将输出信号反相。

④显示模块：将做好的子VI 模块化，即为综合电路中的XMM1。

电桥电路仪用放大电路 比例放大电路显示模块第二章 测量电路的原理与设计2.1 模型的建立电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，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，其阻值随着压力的变化而变化。

对于金属导体，导体变化率RR∆的表达式为: RR∆≈(1＋2μ)ε式中：μ为材料的泊松系数；ε为应变量。

通常把单位应变所引起电阻值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:K 0＝εRR ∆＝(1＋2μ)所以:RR∆＝K 0ε 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ΔR 时，可得到应变值ε，根据应力与应变关系，得到应力值为: σ＝E ε式中：σ为应力；ε为应变量（为轴向应变）；E 为材料的弹性模量（kg ／mm 2）。

又知，重力G 与应力σ的关系为G ＝㎎＝σs 式中：G 为重力；S 为应变片截面积。

根据以上各式可得到：R R∆＝ESK 0mg 由此便得出应变片电阻值变化与物体质量的关系，即ΔR ＝ESK 0Rmg 根据应变片常用的材料（康铜），取K 0=2，E=16300kg∕mm 2，s=100mm2，R=348Ω,g=9.8m∕s ，ΔR=[（2×9.8×348）∕（16300×100）]m=4.185×103-m 。

所以，multisim 可用建立以下模型代替应变片进行仿真。

模型如下在图中，R 1模拟的是不受压力时的电阻R ，压控电阻用来模拟电阻值的变化ΔR ，V 可以理解为物体的质量m （kg ）。

当V 反接时，表示受力相反。

2.2 测量电路的设计及原理此部分包括电桥部分电路原理、放大电路原理、综合电路设计和综合电路仿真。

2.2.1 电桥部分电路原理电阻应变计把机械应变转换成∆R/R 后，应变电阻变化一般都很小，这样小的电阻变化既难以直接精准测量，又不便于直接处理。

因此必须采用转换电路，把应变计的∆R/R 变化转换成电压或是电流的变化。

通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。

如图所示的直流电桥中ABCDER1R2R3R4R L I oU o当电桥平衡时，相对的两臂电阻值乘积相等，即： R 1×R 4=R 2×R 3 U o =i 3412111134)/1)(//1()/)(/(U R R R R R R R R R R ++∆+∆设桥臂比n=R 2/R 1,由于ΔR 1<<R 1,分母中ΔR 1∕R 1可忽略，于是 U 0≈U i2n 1n）（+11R R ∆ 电桥的灵敏度定义为：S V =11/R R U o ∆=U i 2)1(n n+ 分析该式发现：1.电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高；但是供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以一般供电电压应适当选择。

2.电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n 的函数，必须适当选择桥臂比n 的值，保证电桥具有较高的灵敏度。

由nS V∂∂=0求S V 的最大值，由此得 n U V ∂∂=42)1(1n n +-=0 求得n=1时，S V 最大，也就是供电电压确定后，当R 1 =R 2,R 3=R 4时，电桥的电压的灵敏度最大，此时可得到 U O ≈1141R R U i∆ S V =i U 41由上式可知当电源电压U i 和电阻相对变化11/R R △一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值。

且与各桥臂阻值大小无关。

由于上面的分析中忽略了11/R R△，所以存在非线性误差，解决的办法有：1）提高臂桥比。

提高了臂桥比，非线性误差可以减小。

但从电压灵敏度S V ≈i n1U 考虑，灵敏度降低了，这是一种矛盾，因此采用这种方法的时候应该适当提高供桥电压U i 。

2）采用差动电桥。

根据被测试件的受力情况，若使用一个应变片受拉，另一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，成为半桥差动电路，则电桥输出电压U O 为 U O =)(433221111R R R R R R R R R U i +-∆-+∆+∆+若ΔR 1=ΔR 2,21R R =,43R R =,则有 U O =1121R R U i∆ 由此可知，U O 和11/R R∆成线性关系，差动电桥无非线性误差。

此时，电压灵敏度为S V =i U 21，比使用一只应变片时提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。

若将电桥四臂接入4个应变片，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的应变片接入相对臂上，则构成全桥差动电路，如满足4321R R R R ∆=∆=∆=∆，则输出电压为 U O =RRU i∆ i V U S = 由此可知差动电桥的输出电压O U 和电压灵敏度比用单片时提过了四倍，比半桥差动电路提过了一倍。

因为采用的是金属应变片测量，所以本设计采用全桥电路，能够有比较好的灵敏度并且不存在非线性误差。

2.2.2 放大电路原理放大电路主要采用如下图所示的仪用放大电路。

图——仪用放大电路图——比例放大电路该放大电路具有很强的共模抑制比。

它由两级放大器组成，第1级由集成运算放大器A 1和A 2组成，由于他们采用同一型号的运算放大器，所以可进一步降低漂移。

电阻R 1,R 2和R 3组成同相输入式并联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。

第2级是由1个运算放大器A 3和4个电阻R 4,R 5,R 6和R 7组成反向比例放大器，将双端输入变成单端输出。

阻值R 1=R 3，R 4=R 5，R 6=R 7。

根据运算电路基本分析方法，可得到输出电压 U 0=－46R R （1+221R R）(U 1I -U 2I ) 为了方便调节，再加一级比例放大器，同时将仪用放大电路输出 的信号反向，如上图所示。

R W 为调零电阻。

2.2.3 综合电路设计图---基于金属电阻应变片的全桥电路至此，基于金属电阻应变片的压力测量电路设计完成，如上图所示。

图中的V 1，V 2，V 3，V 4指代的是同一电压V （考虑到方便电路绘制及保持电路元件符号不能重复，所以分开符号），电压V 用来模拟物体质量m 。

由以上分析可知，采用全桥电路能够有比较好的灵敏度，并且不存在非线性误差，所以由4个应变片（两个受拉，两个受压）可组成全桥电路，应变片的受拉受压情况如图中标注。

在图中，R 1W 为一调零电阻，用来调节电桥平衡。

由于被测应变片的性能差异及引线的分布电容的容抗等原因，电桥的初始平衡条件和输出特性会受到影响，因此必须对电桥预调平衡，图中用了电阻并联法进行电桥调零。

电阻R 5决定可调的范围，R 5越小，可调的范围越大，但测量误差也大。

R 5可按下式确定R 5＝max32212r r r ⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆+∆R R 式中：△r 1为R 2与R 4的偏差；△r 2为R 1与R 3的偏差。

此处的电阻值应变片的初始值。

在图中，R 2W 为增益调节电阻；R 4W 是放大电路调零电阻。

电路中所选用的放大器是OP07CP ，它是一种低噪声、低偏置电压的运算放大器。

此外，二极管D 3和D 4可对电路起到保护作用。

此外，当采用交流电供电时，由于导线间存在分布电容，这相当于在应变片上并联了一个电容，为消除分布电容对输出的影响，可采用电容调零，为采用阻容调零法的电桥电路，该电桥接入了T 形RC 阻容电路，可调节电阻使电桥达到平衡状态。

2.2.4 综合电路仿真将仪用放大电路的两输入端接地，滑动变阻器R调到最小值，2W即使放大电路的放大倍数调到最大，然后调节R，使电路的输出近4W似为零。

放大电路部分调零完成后，再和电桥电路相连，将模拟物体质量的电压源的值设为零，调节R，使电路的输出为零，从而完成1W电桥调零。