基于电阻应变片的称重传感器设计

本科生课程设计成绩评定表

指导教师签字：

年月日

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：

题目: 基于电阻应变片的称重传感器设计

初始条件：

要求完成的主要任务:

时间安排：

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

1.绪论 (1)

1.1概述 (1)

1.2设计任务分析 (1)

2.方案选择与分析 (2)

2.1方案选择 (2)

2.1.1总体方案设计 (2)

2.1.2硬件的方案设计与论证 (2)

2.2弹性元件的设计 (4)

2.2.1弹性元件选择 (4)

2.2.2双孔梁受力分析及尺寸设计 (6)

2.3电阻应变片的设计 (7)

2.3.1应变片的结构选择 (7)

2.3.2应变片的材料选择 (7)

2.4原理简述 (9)

3.检测电路设计 (11)

3.1电桥电路 (11)

3.2电源电路的设计 (12)

3.3前级放大电路 (12)

3.4检波滤波电路 (13)

3.5显示电路设计 (14)

4.传感器的封装与装配 (16)

5.误差源分析及处理 (16)

6.传感器的标定 (17)

7.体会心得 (17)

参考文献 (18)

附录1：元器件清单 (19)

附录2：参考程序 (20)

附录3：零件图 (23)

附录4：装配图 (24)

附录5：电路图 (24)

附录5：电路图 (25)

1.绪论

1.1概述

传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。

随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。而且随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，本文设计了一种电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的电路设计与软件流程。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、体积小、操作简单、性能价格比高、功耗低、系统设计简单。

1.2设计任务分析

1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成电桥；

2.选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并

根据测试极限范围进行强度校核；

3.完成传感器的外观与装配设计；

4.完成应变电桥输出信号的后续电路的设计和相关电路参数计算，绘制电路原

理图（4号图纸）；

5.按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000字左右）；

6.按机械制图标准绘制弹性元件图（4号图纸）,机械装配图各一张（≥3号图

纸）；

根据任务要求，本次设计的传感器测量压力范围为0~490N（质量范围是0~50kg），选用双孔弯曲式弹性元件。

2.方案选择与分析2.1方案选择

2.1.1总体方案设计

方案一：数码管显示，结构简图如下：

此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系方案二：前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符显示功能的

LCD显示器。

结构简图如下：

综上比较，我采用方案一。

2.1.2硬件的方案设计与论证

关于硬件部分一些模块是固定的，所以在此对放大部分以及AD转换部分进行方案选择。

（1）放大器部分

方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于信号转换器需

要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。

方案二：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器，如下图所示：

图2-3：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器

电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。

优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。

方案三：采用专用仪表放大器，如：AD620，INA128等。

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。

综上所述，我选择方案三。

（2）A/D转换部分

A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。

(1)逐渐逼近式A/D转换器：它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。

(2)双积分A/D转换器：它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度比较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。

(3)并行式A/D转换器：它又被称为flash（快速）型，它的转换数度很高，但她采用了很多个比较器，而n位的转换就需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也很贵，只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。

鉴于上面三种方案，在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐逼近式A/D转换器——ADC0809（在仿真中选择ADC0808）。

（三）单片机的选择

单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路（I/O口），还有可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路（LCD和LED 驱动电路）、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机任务。单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，在用keiluvision4把程序下载到单片机内。

而本设计选用的是AT89C51.

（四）显示部分

LED数码显示管是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED显示管，其中7个用于显示字符，1个用来显示小数点，故通常称之为八段发光二极管数码显示器。对LED数码显示器的控制可以采用按时间向它提供具有一定驱动能力的位选和段选信号。LED数码显示有动态扫描显示法和静态显示。在单片机中，为了节省硬件资源，多采用动态扫描显示法。

2.2弹性元件的设计

2.2.1弹性元件选择

(一)弹性元件的结构选择

图2-4：双孔梁的结构示意图

电阻应变片式测力传感器的弹性元件有柱式，梁式，剪切式。为了改善悬臂梁的特性，在提高动态特性的同时，增加灵敏度，将梁做成各种形状，以改善其应力分布并增强刚度。常用的梁式传感器有等强度梁，等截面梁，双孔梁等。其中双孔梁是一种改进性的梁，结构如图2-4所示。在梁上有两个孔，当梁的端部有作用力时，梁受弯距作用弯曲变形。将应变片贴在与孔对应的梁上下表面，R1与R2为拉伸变形，R3与R4为压缩变形，对应应变片组成差动电桥，输出特性线性度好。双孔侧力传感器有零弯矩区，高度小，对加载方式和受力点移动不敏感且抗偏心，抗侧向力。因此选用双孔梁作为本次设计的弹性元件。

（二）弹性元件的材料选择

在任何情况下，弹性敏感元件应该保持良好的弹性特性，足够的精度和稳定性，在长期使用中，当温度变化是都应保持稳定的特性，因而材料的基本要求有以下几个方面：

1.强度高，弹性极限高；

2.具有高的冲击韧性和疲劳强度；

3.弹性模量温度系数小而稳定；

4.热处理后应有稳定均匀的组织，且各向同性；

5.热膨胀系数小；

6.具有良好的机械加工和热处理特性；

7.具有高的抗氧化性，抗腐蚀性能； 8.弹性滞后尽量小。

弹性元件常用的材料及性能如表2-1所示。经过比较知合金结构钢结构弹性极限大，线膨胀系数小，强度高，适合作为负重较大的悬臂梁式传感器。

表2-1：弹性元件常用的材料及性能

2.2.2双孔梁受力分析及尺寸设计

双孔平行梁：载荷可以施加在任何位置，都可以简化为作用于梁端部的力F 及一个力偶M 。

式中： ——距自由端为一定距离的应变值； E ——梁的材料弹性模量； b ——梁的宽度； h ——梁的厚度。

根据实际量具托盘尺寸设计弹性元件总长为140mm,弹性元件最大测量压力Fmax=50kg ×9.8N/kg=490N

假定L=60mm,L1=40mm,H=22mm,b=30mm

则W Z=bh2/6=1.8×10-7m3

应变最大处的弯矩Ma=Fmax(L+L1)=49N.m

应力σa=Ma/W Z=2.99×108Pa

结构钢许用应力[σ]=2σs/3=8.67×108Pa>σa

所以梁的强度满足要求。

最大应变εa=σa/E=2.99×108Pa/2.1×1011Pa=1.42×10-3<1.5×10-3

所以梁的应变满足应变片正常工作的要求。

2.3电阻应变片的设计

2.3.1应变片的结构选择

电阻应变片主要分为金属丝式应变片（直径在0.012～0.05mm的金属丝），金属箔式应变片（厚度在0.001～0.01mm的金属箔），金属薄膜式应变片（厚度在0. 1μm以下的金属箔）。由于电阻丝应变片有横向效应，对测量精度影响较大，同时降低了灵敏度。金属薄膜式应变片在使用过程中难以控制其电阻与温度和时间的变化关系。箔式应变片主要有以下优点：

1.制造技术能很好地保证敏感栅尺寸准确，线条均匀，且能制成任意形状以适

应不同的测量要求；

2.敏感栅薄而宽，粘接性能好，传递试件应变性能好；

3.散热性能好，允许通过道德电流较大，提高了输出灵敏度；

4.敏感栅弯头横向效应可以忽略；

5.蠕变，机械滞后较小，疲劳寿命长。

因此选用箔式应变片。

2.3.2应变片的材料选择

电阻应变片主要由电阻敏感栅，基底，覆盖层，引出线组成。基底是将传感器弹性元件的表面应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，应具备良好的绝缘抗潮和耐热性能。覆盖层起到保护敏感栅的作用，引出线焊接到敏感栅电阻丝的两端，其结构示意图如下：

图2-5：电阻应变片结构示意

敏感栅合金材料的选择对电阻应变片的性能起着关键的作用，有以下要求：

①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；

②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；

③电阻温度系数要小；

④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；

⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；

⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；

⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。

常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，性能如表2-2。从综合性能和成本比较，康铜是最合适的材料。

表2-2电阻应变片材料及其性能

基底有纸基和胶基，现今纸基已逐渐被性能更好的胶基所取代。胶基由环氧

树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.03～0.05mm 。本次使用玻璃纤维增强基底的电阻应变片，因为其长期稳定性好，蠕变小，滞后小，耐热性好，疲劳寿命高，最适合用于高精度的测量。

引出线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。

综上所述依据:选择BH-350-3AA 型号的电阻应变片；其参数如表2-3所示：

表2-3：BH-350-3AA 电阻应变片参数

2.4原理简述

（1）框图

图2-6：系统框图

(2)原理分析

本系统中用于称量的主要器件是称重传感器（压力传感器），称重传感器在受到压力时会产生电信号，受到不同压力产生的电信号也随着变化，

而且力与电信号的关系一般为线性关系。由于称重传感器输出信号比较小，对A/D 转换或单片机的工作参数来说不能使

A/D

转换和单片机正常工作，所以需要对输出的信号进行放大。由于传感器输出的为模拟信号，所以需要对其进行A/D

转换为数字信号以便单片机接收。单片机收到信号后进软件的一系列处理后把处理后的信号——物重显示于LED 上。在本系统中，硬件电路的构成主要有以下几部分： AT89C51的最小系统构成、电源电路、压力传感器电路、放大电路、检波滤波

电路、AD转换电路以及显示电路组成。

电阻应变式传感器为本课程设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。

本次课程设计所测质量范围是0-50kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对应的0-5V。

3.检测电路设计

3.1电桥电路

电桥电路选用全桥电路，因为全桥电路具有灵敏度高，线性度好且具有温度补偿的功能。电路如图3-1所示，电桥使用交流电供电。

图3-1：全桥电路

电阻应变片按图3-1的方式布置，则有

4UinK Uo =

(ε1-ε2-ε3+ε4)=

F Ebh UinKL

2

3 式中Uin —驱动电压 U0—电桥输出电压 K —应变片灵敏系数

图3-1中电位器RV1取10K ，固定电容C1取0.1uf ，电位器与电容组成电容调零电路。改变电位器上的滑动触点的位置，以改变并联到桥臂上的阻容串联而形成的阻抗相角，可达到平衡条件。

为了提高电桥的输出灵敏度，驱动电压适当地取大一些。根据公式

式中Rg--应变片电阻；

Fg--敏感栅面积；

PG--敏感栅上的功率密度，可取PG=（1.6~3.1）×10-3W/mm2 根据表2-3电阻应变片参数得全桥供电电压，取PG=3.1×10-3W/mm2 Ui=2V V 25.6101.30.30.33503=????-， 则正弦驱动电压幅值Uin=2Ui=8.8V,取Uin=9V.

此时电阻应变片上的有效电流I=Uin/2Rg=18mA<25 mA 所以驱动电压值符合要求。

3.2电源电路的设计

交流电压用于驱动电桥，作为测量信号的载波信号。由于测量信号较低，设计交流电压信号频率为5KHz 。信号发生电路如图3-2所示：

图3-2：交流驱动信号发生器

电路采用ICL8038精密函数发生器，其具有电压范围宽，稳定度高，精度高，易于使用等优点，可同时产生方波，正弦波，三角波。如图3-2所示电路，正弦输出信号频率f=

5

173

.0C R ,取R17=10K,由f=5KHz 得C=6nf,取标准值6.2nf,则f=4.84KHz 。ICL8038输出地正弦信号经过电位器RV3分压后经放大器U6放大，输出作为电桥的驱动电压。

3.3前级放大电路

由于传感器输出的电压比较小，因此需对其进行放大使之满足后续电路的处理要求。鉴于传感器输出可能杂有共模电压，为此，选取具有高共模抑制比的AD620作为放大器来达到净化信号电压和充分节约成本和制造的空间的目的。

图3-3：AD620放大器

由于电桥在满量程时输出电压UO=

F Ebh UinKL

2

3=7mV 因此放大电路总增益Av=5V/7mV=714.3

图3-4：AD620内部方框图

其放大增益为：

5

4.491R K

G +

= 为了将7mV 的电压放大到5V ，需要放大714.3倍，为此选择分配级为100×7 这里放大100倍，因此解得R5=499Ω。

3.4检波滤波电路

图3-5：检波滤波电路

为了从调幅信号中分离出所需要的测量信号，必须采用检波和滤波电路。本次设计中采用全波精密包络检波电路，电路如图3-5所示。设计低通滤波器的截止频率为40Hz,由RC

w 1

=

得C=0.0995uf,取标准值C=0.1uf 。

图3-6：后续直流放大器

设计的增益为7，取R14=10K,14

16

R R K -=，则R16=70K 。

3.5显示电路设计

显示电路是传感器显示对应的测量值和标定中的重要部分。本次设计采用8位A/D 转换器的ADC0809，单片机和LED 显示电路显示测量的质量值。电路如图3-7所示

图3-7：显示电路A/D转换电路的量程是0~5V.

4.传感器的封装与装配

传感器的封装是为了保护电阻应变敏感元件和弹性元件不受周围化学，物理因素的影响，同时固定引线。本次设计采用柔软，弹性模量不变的橡胶纹膜将电阻应变片密封，同时接线插座或电缆线需要密封，方法是采用绝缘材料将接线插座或电缆铸在里面，一端与应变敏感元件的引出线焊接，另一端接插座或焊接测量导线。传感器的装配如附件。

5.误差源分析及处理

5.1电阻应变片引起的误差

实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：

1.应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；

2.电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。

温度误差可以通过桥路进行补偿，本次设计的全桥电路很好地实现了温度补偿，其次电桥还有非线性误差，由于对金属丝应变片，电桥非线性误差可以忽略，所以对本次设计影响不大。最后对于如同工频等的干扰，我们尽量通过电路的优化除去干扰，如通过高共模抑制比仪放以及低通滤波器进行改进。

5.2影响传感器稳定的其他因素

1.称重传感器的结构导致的性能波动，通过将其设计成一个整体的结构可以很好的保证其最佳技术性能和长期的稳定性；

2.机械加工过程中导致的弹性元件表面的残余应力，可通过回火处理减小残余应力的影响；

3.应变粘接剂强度不足导致应变片产生蠕变等误差，可通过严格控制胶层厚度，由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，应变传递性能好，只要密封合理就可达到较高的稳定水平。