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

I

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

II

哈尔滨远东理工学院机器人学院课程设计（报告） 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。

1

哈尔滨远东理工学院机器人学院课程设计（报告） 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：

R(12)R

k0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：

k0所以：

R/R

12

Rk0 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

E

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：

GmgS

式中： G-重力,S-应变片截面积

2

哈尔滨远东理工学院机器人学院课程设计（报告） 根据以上各式可得到：

Rk0mg RES

由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即

k0RgR*m

ES

根据应变片常用的材料（如康铜）取 k02;E16300kg/mm2;S100mm2;R0348;G9.8m/s2R29.8348/16300100m0.004185m

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

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哈尔滨远东理工学院机器人学院课程设计（报告） 当电桥平衡时,相对的两臂电阻乘积相等,即：

R1•R4R2•R3R4/R3R1/R1 U01R1/R1R2/R11R4/R3设桥臂比n=R2/R1 由于R1<U0nSVU12

R1/R11n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

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哈尔滨远东理工学院机器人学院课程设计（报告） 2双臂电桥

图2-4

3四臂电桥

图2-5

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哈尔滨远东理工学院机器人学院课程设计（报告） 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)

0.08 4.151 8.302 0.09 4.67 9.339 0.1 5.1 10.377 0.11 5.707 11.415 0.12 6.226 12.453 0.13 6.745 13.49 0.14 7.2 14.528 0.15 7.783 15.566 0.16 8.302 16.603 0.17

8.821

17.1

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

6

四臂(uV)

16.603 18.679 20.754 22.83 24.905 26.981 29.096 31.131 33.207 35.282

哈尔滨远东理工学院机器人学院课程设计（报告）

3.2 数据分析

柱状图

折线图

表3-2

表3-3

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哈尔滨远东理工学院机器人学院课程设计（报告） 结 论

控制系统的开发和设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析，系统设计，系统实施，系统运行和调试过程继续进行。从整个小型电子称重器的设计过程中可看出，高速，高灵敏度，体积小，重量轻，携带方便，显示直观、测量精度高等特点。

在试验中使用三种电桥：单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着变化。当R<试验中使用的是金属箔式应变片，金属箔的一面涂胶形成胶底，然后在箔面上用照相腐蚀成形法制成的，所以几何形状和尺寸非常精密，箔式片有下列优点：1随着光刻技术的发展，箔式片能保证尺寸准确、线条均匀，故灵敏系数分散性小。尤其突出的是能制成栅长很小或敏感栅图案特殊的应变片2箔式片栅丝截面为矩形，故栅丝周表面积大，因而散热性好。这样，在相同截面积下，允许通过的电流较丝绕式片的大，使测量有输出较大信号的可能。另外，表面积大使附着力增加，有利于变形传递，因而增加了测量的准确性3箔式片敏感栅横向部分的线条宽度比纵向部分的大得多，因而单位长度的电阻也小很多，使箔式片横向效应很小。

总之，知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。通过这次课程设计，我们即学会了使用Multisim软件，也掌握了一些有用的知识，这对我们以后的学习和生活非常的有帮助，也使得我们对自己的总体知识水平有了一个了解。懂得了知识的重要性。使我学会了如何运用所学的知识收集、归纳相关资料解决具体问题的方法，加强了我的动手能力、分析和解决问题的能力、以及增强综合运用知识的能力。

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