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 (1)

1.1 选题背景 (1)

1.2 目的和意义 (1)

第2章设计方案及其论述 (2)

2.1 模型建立及电路原理 (2)

2.2 电路图 (4)

第3章数据图表及分析 (6)

3.1 数据图表 (6)

3.2 数据分析 (7)

结论 (8)

第1章绪论

1.1 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。

1.2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

2.1 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<

()

21

110n 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。

2.2 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

3.1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0.08V ——0.17V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)

0.08 4.151 8.302 16.603

0.09 4.67 9.339 18.679

0.1 5.189 10.377 20.754

0.11 5.707 11.415 22.83

0.12 6.226 12.453 24.905

0.13 6.745 13.49 26.981

0.14 7.264 14.528 29.096

0.15 7.783 15.566 31.131

0.16 8.302 16.603 33.207

0.17 8.821 17.641 35.282

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