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

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：

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：

所以：

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

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：

式中： G-重力,S-应变片截面积

根据以上各式可得到：

由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即

根据应变片常用的材料（如康铜）取

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：

设桥臂比n=R2/R1 由于R1<分母中R1/R1可忽略，于是：

电桥电压灵敏度定义为：

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

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

3.2 数据分析

柱状图

表3-2

折线图

表3-3

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<<时，电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的情况下，等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大，所以它们的灵敏度要高。

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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