电路设计与制作

电路设计与制作

实

验

指

导

书

自动化工程学院

电路设计指导书

一、实验目的：

本实验要求学生设计并制作一个电子秤电路，要求能测量重量在0～200g 间的物体，输出为电压信号，通过调节电路使电压值为对应的重量值，电压量纲mv改为重量纲g即成为一台原始电子秤。

二、基本原理：

基本思路

总体设计思路如图1所示，所测重量经过转换元件转换为电阻变化，再经过测量电路转化为电压变化，经过放大电路放大调节后输出显示得到所需信号。

图1 基本设计思路

电阻应变式传感器

本设计主要通过电阻应变式传感器实现。电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，实现电测非电量的传感器。传感器由在不同的弹性敏感元件上粘贴电阻应变片构成，当被测物理量作用在弹性敏感元件上时，弹性敏感元件产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形，电阻应变片再将变形转换为电阻值的变化。应变式电阻传感器是目前在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中应用最广泛的传感器之一。

1、弹性敏感元件

物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。

弹性敏感元件是指元件在感受到力、压力、力矩、振动等被测参量时，能将其转换成应变量或位移量，弹性敏感元件可以把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的物理状态。

2、电阻应变片

对于一段长为L，截面积为S，电阻率为ρ的导体，未受力时电阻为R = ρ，在外力的作用下，电阻丝将会被拉伸或压缩，导体的长度L、截面积S以及电阻率ρ等均将发生变化，从而导致其电阻值发生变化，这种现象称为“电阻应变效应”。利用金属或半导体材料电阻丝的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的

敏感元件。为在较小的尺寸范围内感受应变，并产生较大的电阻变化，通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件，即电阻应变片，通常由敏感栅、基底、盖片、引线和黏结剂等组成。

测量电路

电阻应变片把机械应变信号转换成电阻变化后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的电阻变化转换成电压或电流变化，以便于测量。具有这种转换功能的电路称为测量电路。

电桥电路是目前广泛采用的测量电路，常见的直流电桥电路如图2，

Uo

图2 直流电桥

电桥输出电压为

Uo=U （式1）

R1、R2、R3、R4为四个桥臂，当一个臂、两个臂或四个臂接入应变片时，就相应构成了单臂、双臂和全臂工作电桥。下面分别就单臂、半桥和全桥电路进行讨论。

（1）单臂工作电桥

如图3所示，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻。应变片未受力时电桥处于平衡状态，R1R3=R2R4,输出电压U0=0，当承受应变时，R1阻值发生变化，设为R1+ΔR，电桥不平衡，产生输出电压为

Uo

图3 单臂工作电桥

Uo=（式2）

设R1=R2=R3=R4=R,又ΔR<

Uo≈（式3）

(2)双臂工作电桥

若在两个桥臂上计入电阻应变片，其他桥臂为固定电阻，则构成双臂工作电桥，如图4，R1、R2为电阻应变片，R3、R4为固定电阻。当应变片承受应变时，R1电阻增大ΔR，R2电阻减小ΔR，这种电桥成为差动电桥。

Uo

图4 双臂工作电桥

此时电桥不再平衡，输出电压为

Uo=（式4）由式知半桥的输出是线性的没有非线性误差问题，而且灵敏度比单臂提高了一倍。

（3）全臂工作电桥

若四个桥臂上全为电阻应变片，则构成全桥工作电路，如图5所示，R1、R2、R3、R4全为电阻应变片。承受应变时，R1、R3电阻增大ΔR，R2、R4电阻减小ΔR。

Uo

图5 全臂工作电桥

电桥不再平衡，输出电压为

Uo=U（式5）由式知，全桥的电压输出是线性的，没有非线性误差问题，而且其灵敏度是单臂的4倍，是半桥的2倍。

电子秤实验采用的是全桥测量电路，我们选取直流电源电压为8V。所取的应变片未承受应变时阻值R1=R2=R3=R4=350Ω，当测量满量程200g 物体时，测得应变片阻值变化ΔR大约在0.1~0.3Ω之间（参见文章最后实验数据记录表1、表2）。我们取ΔR=0.2Ω,U=8V,则测量电路的输出电压为Uo=U≈0.0046V。

因为在实际电路中，应变片未承受应变时，电桥不一定处于完全的平衡状态，即R1R3--R3R4不为零，输出Uo不为零,故在测量电路中加入滑动变阻器做调零用，测量电路如图6所示

Uo

10kΩ

50%

Key=A

图6 电子秤测量电路

差分放大电路

测量电路将应变计的电阻变化转换成了电压变化，由于所得的输出信号一般都很微弱，如果在遇到干扰的时候可能会导致测量结果的错误，因此采集到电压信号后，要对电压信号进行放大，滤波，增强系统的抗干扰能力，系统的稳定性会有所提高，让显示的数据也更加准确。

先采用差分放大电路对电压进行放大，我们先讨论简单的差动放大器，如图7所示,Vi1、Vi2为输入，Vo为输出。

Vi1

Vi2

图7 基本差动放大器

输出电压

Vo=-V i1+(1+)V i2 （式6）

本实验中运算放大器采用OP07芯片,OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07管脚图如图9所示。

图8 op07管脚图

OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡(调零端)，2为反向输入端，3为正向输入端，4接负电源或接地，5空脚6为输出，7接正电源。