用電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤

1、 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 用用電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 摘要摘要 電阻應變式傳感器具有測量范圍廣、精度高、誤差小和線性特性好等優(yōu)點，且能 在惡劣環(huán)境下工作，在力、壓力和重量測試中有非常廣泛的應用，力傳感器具有結構 簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。所以電阻應變式力傳感器制作的 數(shù)顯電子秤具有準確度高易于制作，簡單實用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等特 點。 本文從數(shù)顯電子秤的要求分析入手，將整個系統(tǒng)分成四個部分，分析和討論了各 個部分的電路原理、控制策略、實現(xiàn)方法。詳細討論了系統(tǒng)的各種工況及信號的傳遞 情況，并得到了系統(tǒng)各個部

2、分在不同工況的工作狀態(tài)。數(shù)顯電子秤根據(jù)彈性體（彈性 元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元 件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng) 相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流） ，將電信號通過數(shù)碼顯示 器顯示出來，從而完成了將外力變換為電信號的過程。 關鍵詞關鍵詞 稱重傳感器；電阻應變計；彈性體 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 abstractabstract the electric resistance contingency type spread feeling tool to have diag

3、raph scope wide，accuracy gao，the error margin be small with line characteristic good etc.advantage，and ability under the bad environment work，in the dint，pressure and the weight test have very extensive of application，the dint spread feeling tool to have structure simple，the physical volume be small

4、，weight light，service life long etc.excellent characteristics.so the electric resistance contingency type dint spread a feeling machine creation of number show electronics steelyard to have an accurate degree gao be easy to creation，simple practical，the cost be cheap，the physical volume be cleverly

5、made and take convenience etc.characteristics. this text from number show the request of electronics steelyard analysis to commence，be divided into four part，analysis and discussion:the whole system each part of electric circuit principle，control strategy， realization method.detailed discussion deli

6、ver of various work condition and signal circumstance of system，and got system part at dissimilarity work condition of work appearance.number show electronics steelyard according to flexibility body(flexibility component，sensitive beam) at outside the dint function descend a creation flexibility tra

7、nsform，make to glue to stick at him surface of electric resistance contingency slice(conversion component) also together with creation transform，electric resistance contingency after slice transform，it of resistivity will occurrence variety(enlarge or let up)， again through correspond of measure ele

8、ctric circuit this electric resistance variety the conversion pass telecommunication number to figures display manifestation to come out for the telecommunication number(electric voltage or electric current)，thus completion will outside dint transformation is the process 4oftelecommunication number.

9、 keykey wordswords weigh to spread a feeling machine；electric resistance contingency to account； an elastic body 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 目錄目錄 引言引言.1 1 系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求.2 2 2 總體規(guī)劃總體規(guī)劃.3 3.1 要求.4 3.2 電阻應變式傳感器.4 3.2.1 電阻應變式傳感器的外形結構 .5 3.2.2 電阻應變式傳感器的組成及工作原理 .5 3.2.3 電阻應變式傳感器的測量電路 .7 3.3 差動放大電路.7 4 4 a/da/d 轉換模塊轉換模塊.

10、9 4.1 a/d 轉換的作用.9 4.2 a/d 器的選擇.9 5 主要硬件工作原理及選用主要硬件工作原理及選用.11 5.1 電阻應變片.11 5.2 彈性體.12 5.2.1 彈性元件的基本特性 .12 5.3 彈性體的選用.12 5.3.1 基本要求 .12 5.3.2 分類 .13 5.4 提高靈敏度的措施.15 5.5 應變式傳感器的選用.16 5.5.1 結構、形式的選擇 .16 5.5.2 量程的選擇 .16 5.5.3 準確度的選擇 .17 5.5.4 使用環(huán)境 .17 6 6 ledled 顯示電路設計顯示電路設計.18 6.1 led 顯示器結構與原理.18 6.2 le

11、d 顯示器與顯示方式.18 7 7 注意事項注意事項.19 7.1 機械安裝方面.19 7.2 電氣連接方面.20 8 系統(tǒng)方案總結系統(tǒng)方案總結.21 結束語結束語.22 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 參考文獻參考文獻.23 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 1 引言 稱重技術自古以來就被人們所重視。公元前，人們?yōu)榱藢ω浳锝粨Q量進行估計， 起初采用木材或陶土制作的容器對交換貨物進行計量。以后，又采用簡單的秤來測定 質量。據(jù)考證，世界上最古老的計量器具出土于中東和埃及，最古老的衡器和砝碼出 自于埃及。秤是最普遍，最普及的計量設備。21 世紀，電子產(chǎn)品變得越來越豐富，給 人們帶來了很多很多

12、的方便，其中電子秤成了人們生活中不可缺少的一部分。大大小 小的市場電子秤能夠完成許多工作，為人們節(jié)省了時間，提高了工作效率。在超市里 的一臺電子秤，它能很精確的稱出商品的重量，還能去除皮重，更主要的是，它其中 預存了超市里商品的單價，當稱出商品的重量后，電子秤馬上就能算出價格，不管幾 種商品都能一一累加，最后列出清單，可以說非常的智能化，而且非常的精確。由此， 顧客在購物的時候非常的放心，商家的效益也提高了，所以有了電子秤，顧客買的放 心，商家也賣的開心了。 目前國際化的趨勢是電子秤向小型化，模塊化，集成化，智能化，其技術性能趨 向于速率高，準確度高，穩(wěn)定性該，可靠性高等，其功能趨向是稱重計量

13、的控制信息 和非控制信息并重的智能化電子秤。多年來，人們一直期待測量準確、價格低廉的在 工業(yè)發(fā)動化、信息化的發(fā)展。以往稱重傳感器的靈敏度、準確度漸漸跟不上時代的發(fā) 展。所以稱重行業(yè)急需一種能夠在稱重過程中準確計量，具有極高的靈敏度，較強的 環(huán)境適應能力，以及比以往傳感器更長的使用壽命。通過試驗和創(chuàng)新電阻應變式力傳 感器具有以上特點!利用電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤特性好等優(yōu)點，且能在 惡劣環(huán)境下工作，在重量測試中有非展中起到巨大作用的電子秤投放市場。 傳感器技術是現(xiàn)代科技的前沿技術，是制造業(yè)自動化和信息化的基礎。隨著工業(yè) 自常廣泛的應用，易于制作，簡單實用、成本低廉、體積小巧、攜帶方便等

14、特點。所 以這種電子秤因為市場的需要具有很大的發(fā)展，上升和推廣空間。 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 2 1 系統(tǒng)要求 電子秤的核心部件較為復雜，對工藝的要求很高。 （1）電阻應變片是稱重傳感器的核心器件，其敏感柵結構、基底材料、靈敏系數(shù) 穩(wěn)定性、機械滯后、蠕變和熱輸出等技術性能直接影響稱重傳感器的準確度和穩(wěn)定性。 （2）為滿足稱重傳感器小型化、微型化的要求，特別是電子秤用能耗小、發(fā)熱低、 穩(wěn)定性好的力傳感器用大阻值應變計需要具有：結構簡單、使用方便、準確度高、頻 率響應快、穩(wěn)定性好、工作壽命長、幾乎不用維修等特點。 （3）靈敏系數(shù)是電阻應變計的重要參數(shù)，若是靈敏系數(shù)分散大，準確度低。靈敏

15、 度系數(shù) k 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數(shù)，它和應變片的形 狀、尺寸大小無關，不同的材料的 k 值一般在 1.73.6 之間；其次 k 值是一個無因次 量。 （4）電子秤的分辨力為 1 克，在 2 千克的量程范圍內調試，其測量精度要達到 0.5%。 （5）數(shù)碼顯示管要具有顯示清晰、性能穩(wěn)定、使用壽命長、價格低廉。另外，電 子秤的傳感器要選用穩(wěn)定性能好、使用壽命長、準確度高、靈敏度高、價格低廉的元 件。 傳感器選用 e350zaa 箔式電阻應變片，其常態(tài)阻值為 350o，它具有粘合情況好、 散熱能力較強、輸出功率較大、靈敏度高等。在工藝上可按需要制成任意形狀，易于 大量生產(chǎn)

16、，成本低廉，尤其在常溫條件下，箔式應變片更具有很強的穩(wěn)定性。 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 3 2 2 總體規(guī)劃總體規(guī)劃 對于電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤主要有四個方面:一、電路由測量電橋， 二、差動放大電路，三、a/d 轉換電路，四、顯示電路組成。從總的方面來考慮，傳 感器的使用應該盡量選用穩(wěn)定性能高、使用壽命長、結構簡單，但是又必須能使稱重 準確?？刂齐娐芬鶕?jù)選用的傳感器來設計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂葡到y(tǒng) 應簡單實用，并且在稱重時能夠快速反應、準確計量?？傮w控制要考慮環(huán)境、所稱重 物體對電路的影響，在確保計量準確的情況下能夠提高稱重效率。總體電路如圖 2-1 所示：

17、圖 2-1 總體電路圖 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 4 3 3 設計內容及具體方案設計內容及具體方案 3.13.1 要求要求 1、電阻應變式傳感器； 2、秤重范圍為 2kg； 3、電路由測量電橋，差動放大電路，a/d 轉換電路，顯示電路組成； 4、工作原理，首先利用由電阻應變式傳感器組成的測量電路測出物質的重量信號， 以模擬信號的方式傳送到 a/d 轉換器。其次，由 a/d 轉換電路把由差動放大器電路把 傳感器輸出的微弱信號進行一定倍數(shù)的放大，然后送 a/d 轉換電路中。再由 a/d 轉換 電路把接收到的模擬信號轉換成數(shù)字信號，傳送到顯示電路，最后由顯示電路顯示數(shù) 據(jù)。具體方案如圖 3

18、-1 所示： 電阻應變 式傳感器 輸出信號 差動放大 電路放大 信號 a/d 轉換 電路（雙 積分） 顯示電路 （led） 電子秤的原理框圖如圖 3-2 所示： 圖 3-2 原理框圖 3.23.2 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 圖 3-1 具體方案圖 稱重傳感 器輸出信 號 放大a/d 轉換cpu 顯示電路 （led） 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 5 電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將力學量轉換為電信號的傳感器。 而電阻應變效應是指導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械形變時，其電阻值也發(fā) 生相應變化的現(xiàn)象。 電阻應變式傳感器具有精度高，性能穩(wěn)定，測量范圍寬，可制成各種機械量

19、傳感 器；并且結構簡單，體積小，重量輕?？稍诔蜏?、強振動、強磁場等惡劣環(huán)境下工 作等特點。 .1 電阻應變式傳感器的外形結構電阻應變式傳感器的外形結構 （a）箔式壓力 (b)柱式 (c) 懸臂梁式 (d) 橋式 (e)波紋管 圖 3-3 各種應變式電阻傳感器的外形圖 電阻應變式傳感器的組成及工作原理電阻應變式傳感器的組成及工作原理 測量線路兩部分組成。常用的電阻應變片有兩種：電阻絲應變片和半導體應變片， 本設計中采用的是電阻絲應變片如圖 3-4 所示：為獲電阻應變式傳感器是將被測量的 力，通過它產(chǎn)生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的元件。由電阻應變片和得高電阻值，

20、 電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導線，線柵上面粘有覆蓋層， 起保護作用。稱重傳感器圖如圖 3-5 所示：電阻應變片也會有誤差，產(chǎn)生的因素很多， 所以測量時我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原 因主要是：電阻絲溫度系數(shù)引起的。電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起 的。對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應變片，也 會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須 進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數(shù)的自動補償片，并 從外部對它加以適當?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要

21、的一點。產(chǎn)生非線性 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 6 誤差的原因很多，一般來說主要是由結構設計決定，通過線性補償，也可得到改善。 滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度 變化較大，所以稱重傳感器必需在規(guī)定的溫度范圍內使用。 圖 3-4 金屬電阻絲式應變片的結構圖 圖 3-5 稱重傳感器圖 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 7 3.2.3 電阻應變式傳感器的測量電路電阻應變式傳感器的測量電路 電阻應變片的電阻變化范圍為 0.00050.1 歐姆。所以測量電路應當能精確測量 出很小的電阻變化，在電阻應變傳感器中做常用的是橋式測量電路。橋式測量電路有 四個

22、電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓 e，另一個對角線為輸出電壓 uo。其特點 是：當四個橋臂電阻達到相應的關系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用 靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化測量電橋如圖 3-6 所示： u0 圖 3-6 測量電橋圖 它由箔式電阻應變片電阻 r1、r2、r3、r4 組成測量電橋，測量電橋的電源由穩(wěn)壓 電源 e 供給。物體的重量不同，電橋不平衡程度不同，指針式電表指示的數(shù)值也不同。 滑動式線性可變電阻器 rp1 作為物體重量彈性應變的傳感器，組成零調整電路，當載 荷為 0 時，調節(jié) rp1 使數(shù)碼顯示屏顯示零。 3.33.3 差動放大電路差動放大

23、電路 原理：一個放大電路，即差動放大電路，主要的元件就是差動放大器。在許多需 要用 a/d 轉換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號都很 微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足 a/d 轉換器對輸 入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表儀器放大 器的選型很多，典型的差動放大器就是一種用途非常廣泛的儀表放大器。它只需高精 度 lm358 和幾只電阻器，即可構成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應用于工業(yè)自動控 制、儀器儀表、電氣測量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。本設計中差動放大電路結構圖如圖 3- 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 8 7

24、 所示： 圖 3-7 差動放大電路結構圖 推導過程： 圖 3-5 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 9 4 4 a/da/d 轉換模塊轉換模塊 4.14.1 a/da/d 轉換的作用轉換的作用 作用是進行模數(shù)轉換，把接收到的模擬信號轉換成數(shù)字信號輸出。在選擇 a/d 轉 換時，先要確定 a/d 轉換的位數(shù)，該設計運用的是雙積分式 a/d 轉換器 icl7107，a/d 轉換誤的位數(shù)確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關，系統(tǒng)精度涉 及的環(huán)節(jié)很多，包括傳感器的變換精度，信號預處理電路精度 a/d 轉換器以及輸出電 路等。 4.24.2 a/da/d 器的選擇器的選擇 一個電子秤系統(tǒng)

25、最重要的參數(shù)是內部分辨率、adc 動態(tài)范圍、無噪聲分辨率、更新 速率、系統(tǒng)增益和增益誤差漂移。該系統(tǒng)必須設計成比率工作方式，所以它與電源電 壓波動無關。 intersilicl7106 和 icl7107 是高表現(xiàn)，lowpower，31/2 個數(shù)字 a/d 轉換器。被 包括在內的是七個片段破碼器，展覽駕駛員，叁考和一個時鐘。icl7106 與一個液晶顯 示器(lcd)一起設計到接口而且包括被多重發(fā)訊的基架駕駛；icl7107 將會直接地駕駛 發(fā)出兩極管(引導)展覽的一個器具大小光。icl7106 和 icl7107 一起帶來一個高的準確 性，多種變化和真實的經(jīng)濟組合。它以汽車為特色-零的對少

26、于 10v，少于 1v/c 的 零漂流物，輸入 10pa(最大)的偏見涌流、和少于一計數(shù)的翻轉錯誤。真實的差別輸入 和叁考在所有的系統(tǒng)是有用的，但是當測定裝載細胞、緊張標準度量和其他的橋類型 轉換器的時候給設計者一個不尋常的利益。最后，單一力量的真實經(jīng)濟供應操作 (icl7107)，使高的表現(xiàn)嵌板公尺能夠與只有 10 無源的附加一起建造完全的。其引腳 如圖 4-1 所示： 圖 4-1 cl7107 引腳圖 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 10 該電路為 cc7107，led 和若干無源元件組成的數(shù)字電壓表電路。該電路采用標準 的 3.5 位顯示電路進行顯示，其中最高位可以顯示千位的“1”和

27、顯示負號。此外，由 于該電路的兩個輸入端即 com 與 v+端的電位差具有很高的穩(wěn)定性，可以作為參考電壓 源。因此，可以通過分壓的方法來擴大它的量程。由于兩個輸入端最大承受電壓為 200mv 因此要實現(xiàn)最大值為 2000mv 的顯示可以用以下分壓形式 (本設計所采用的）如圖 4-2 所示：利用 cc7107a/d 轉換器組裝成 3.5 位數(shù)字電壓表。 圖 4-2 3.5 位數(shù)字電壓表的外接電路 通過上面的電路可以測量最大值為 2000mv 的電壓 而在本設計中的采樣電阻為 1 歐所以被測電壓值即為被測電流值. 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 11 圖 4-3.3.5 位數(shù)字 a/d 轉換原

28、理圖 5 主要硬件工作原理及選用主要硬件工作原理及選用 電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外 力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產(chǎn)生變形， 電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小） ，再經(jīng)相應的測量電路把這一 電阻變化轉換為電信號（電壓或電流） ，從而完成了將外力變換為電信號的過程。 由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少 的幾個主要部分所以在設計完電路要對各種原件的特性進行了解和論證下面就 rp314 對電阻應變片、彈性體和檢測電路逐一介紹： 5.15.1 電阻應變片電阻應變片 電阻應

29、變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一 片應變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù) k。我們來介紹一下它的意義。設有一個金屬 電阻絲，其長度為 l，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記作 s，其電阻率記作 ，這 種材料的泊松系數(shù)是 。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為 r： r=l/s（） （5 1） 當他的兩端受 f 力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設其伸長 l，其橫截 面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 r。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變 形后，電阻率也會有所改變，記作 。 對式（5-1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有： r

30、=l/s+l/ssl/s2 （52） 用式（5-1）去除式（5-2）得到 r/r=/+l/ls/s （53） 另外，我們知道導線的橫截面積 s=r2，則 s=2r*r，所以 s/s=2r/r （54） 從材料力學我們知道 r/r=-l/l （55） 其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。 是表示材料橫向效應泊松系數(shù)。 把式（54） （55）代入（5-3） ，有 r/r=/+l/l+2l/l =（1+2（/）/（l/l） ）*l/l =k*l/l （5- 6） 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 12 其中 k=1+2+（/）/（l/l） (57) 式（5-6）說明了電阻應變片的電阻變化率（電

31、阻相對變化）和電阻絲伸長率 （長度相對變化）之間的關系。 需要說明的是：靈敏度系數(shù) k 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的 15 一個常數(shù)，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的 k 值一般在 1.73.6 之 間；其次 k 值是一個無因次量，即它沒有量綱。 在材料力學中 l/l 稱作為應變，記作 ，用它來表示彈性往往顯得太大，很不 方便。 常常把它的百萬分之一作為單位，記作 。這樣，式（5-6）常寫作： r/r=k (58) 5.25.2 彈性體彈性體 .1 彈性元件的基本特性彈性元件的基本特性 1變形：物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象。 2彈性：物體因

32、受外力作用而產(chǎn)生變形，外力去掉后又恢復原狀的特性。 3彈性元件：具有彈性變形特性的物體。 4彈性變形：彈性元件受外力作用而產(chǎn)生的變形。 5彈性特性：作用在元件上的外力與相應變形（應變、位移或轉角）之間的關系。 以托利多公司的 sb 系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。 設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應力。主應 力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值 增加，而應變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達 式，而不再推導。=（3q（1+）/2eb）*（b（h2-

33、h2）+bh2）/（b（h3-h3）+bh3） （5-9） 其中：q-截面上的剪力；e-揚氏模量：泊松系數(shù)；b、b、h、h為梁的幾 何尺寸。 需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部”情況，而應變片實際感受的是 “平均”狀態(tài)。 5.35.3 彈性體的選用彈性體的選用 彈性元件在傳感器技術中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力轉換成 相應的應變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力變換成電 量。 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 13 .1 基本要求基本要求 （1）具有良好的機械特性（強度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強度高等）和良好的 機械加工及熱處理性能

34、。 （2）良好的彈性特性（彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等）。 （3）彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定。 （4）抗氧化性和抗腐蝕性等化學性能良好。 .2 分類分類 測力傳感器常用的彈性敏感元件有柱式、懸臂梁式、環(huán)式和框式等，要根據(jù)實際 使用情況選取合適的敏感元件。本設計采用柱式如圖 5-1 所示： 圖 5-1 柱式敏感元件 應變式傳感器常用的測量電路有單臂電橋、差動半橋和差動全橋，其中差動全橋 可提高電橋的靈敏度，消除電橋的非線性誤差，還可消除溫度誤差等共模干擾。在測 量中都用 4 片應變片組成差動全橋如圖 5-2 所示，應變片粘貼位置的不同會影響測量 的

35、靈敏度和非線性誤差，必須合理選取應變片的粘貼位置來提高測量精度。 圖 5-2 差動全橋電路 選取應變片粘貼位置時，要把 4 片應變片中的兩片粘貼在最大正應變處，另兩片 放在負的最大應變處，這樣可獲得最大的靈敏度。當采用如圖 5-1 所示的實心柱式彈 性敏感元件，分析在自由端受力時梁感受到的應變情況。在受力為 f 時，在圓柱體的 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 14 軸向感受到的應變?yōu)樽畲笳龖?，其值可由?-1）得到。 （5-1） （5-1）中，x 為圓柱體感受到的軸向應變，設壓縮為正，f 為施加在圓柱體上 的壓力，e 為材料彈性模量，a 為圓柱體的截面積。而在圓柱體的環(huán)向感受到的應變?yōu)?

36、最大負應變，其值可由（5-2）得到。 （5-2） （5-2）中， 為圓柱體感受到的環(huán)向應變，設壓縮為正， 為材料的泊松比。 由以上分析可知，圓柱體軸向就是最大正應變處，圓柱體的環(huán)向即為最大負應變處。 貼片時，在軸向貼兩片應變片，在環(huán)向貼另兩片應變片，可獲得最大的靈敏度，貼片 方法如圖 5-4 所示。把軸向貼的應變片 r2 和 r3 接到測量電橋中的相對橋臂上，把在 環(huán)向貼的應變片 r1 和 r4 接到測量電橋的另一相對橋臂上，組成差動全橋電路，可獲 得最大的靈敏度，另外還可以減小非線性誤差和溫度誤差等，采用的電橋結構如圖 5-4 所示： 圖 5-4 電橋結構圖 非線性誤差分析和改進措施 當施加

37、作用力 f 時（壓縮） ，感受環(huán)向應變的電阻 r1 和 r4 的阻值發(fā)生變化，式中 r0 為應變片的初始電阻值，k 為應變片的靈敏系數(shù)。此時，感受軸向應變的電阻 r2 和 r3 也發(fā)生變化，如（5-3）所示。 （5-3） 當采用圖 5-2 所示的全橋差動電路進行測量時，輸出電壓可由（5-4）得到 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 15 (5-4) 從（5-4）中可以看出，電橋輸出電壓與被測力并不是線性關系，想獲得較大的線 性測量范圍，就要減小 kf（1）的值?？刹捎脙煞N方法，一是測量較小的力，二是 在滿足使用要求的情況下，盡量選取泊松比大的材料。 另外，在實際測量中，被測力不可能正好沿著圓柱

38、體的軸線作用，而總是與軸線 之間有微小的角度或偏心，使得彈性體除了受縱向力作用以外，還受到橫向力和彎矩 的作用，帶來非線性誤差。為了消除橫向力的影響，可采用圖 5-3 所示的承彎膜片結 構。 圖 5-3 所采用的結構為在傳感器剛性外殼上端面加一片極薄的膜片。由于膜片在 平面方向剛度很大，所以作用在膜片平面內的橫向力就經(jīng)過膜片傳遞到外殼或底座， 在垂直于平面方向的膜片剛度很小，所以沿柱體軸向的變形正比于被測力。這樣，膜 片就承受了絕大部分橫向力和彎曲，消除了對測量精度的影響。 圖 5-3 5.45.4 提高靈敏度的措施提高靈敏度的措施 為提高應變傳感器的測量靈敏度，可采用 8 片相同的應變片，其

39、中 4 片沿著軸向 粘貼，另外 4 片沿著環(huán)向粘貼，如圖 5-4 所示。 采用 8 片應變片組成應變式測力傳感器，相比 4 片應變片組成的電橋結構，可提 高靈敏度 1 倍左右，還可以提高傳感器測量的線性特性。 由（5-4）可知，要想提高傳感器的靈敏度，可以在滿足使用要求的情況下減小橫 截面積。但要考慮橫截面積減小時，其抗彎能力減弱，對橫向干擾的敏感程度增加。 為了解決這一矛盾，在測量小集中力時，可以采用空心圓筒或承彎膜片，因為與實心 圓柱體相比，空心圓筒在相同橫截面積的情況下，橫向剛度大，橫向穩(wěn)定性好。 另外，彈性圓柱體的高度對傳感器的精度和動態(tài)特性都有影響，當高度與外徑的 比值大于 1 時，

40、沿其中間斷面上的應力狀態(tài)和變形狀態(tài)與其端面上作用的載荷性質和 接觸條件無關，在實際應用中，一般采用圓柱體的高度為外徑的 2 倍。 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 16 使用應變式傳感器測量力時，可以采用輪輻結構彈性元件來減小非線性誤差，提 高靈敏度。 輪輻式測力傳感器由輪圈、輪轱、輪輻條和應變片組成。如圖 5-5 所示：輪輻條 成對且對稱地連接輪圈和輪轱，當外力作用在輪轱的上端面或者下端面時，矩形輪輻 條就產(chǎn)生平行四邊形變形，形成與外力成正比的切應變。8 片應變片與輻條水平中心成 45角，分別粘貼在 4 根輻條的正反兩面，并接成差動全橋測量電路，當被測力作用 在輪轱端面上時。沿輻條對角線縮

41、短方向的應變片受壓，電阻值減小，沿輻條對角線 伸長方向的應變片受拉，電阻值增加，并且電橋的輸出電壓與被測力之間具有良好的 線性特性。且由于是按照剪切力作用原理設計的，力作用點位置的精度對傳感器測量 精影響不大。輪輻和輪圈的剛度很大，因此過載能力很強，線性測量范圍比較寬。 圖 5-5 輪輻式測力傳感器 5.55.5 應變式傳感器的選用應變式傳感器的選用 在電子衡器中，選用何種稱重傳感器，要全面衡量。下面就稱重傳感器的結構形 式、量程，準確度等級的選擇上講述一般要考慮的幾個方面。 5.5.1 結構、形式的選擇結構、形式的選擇 選用何種結構形式的稱重傳感器，主要看衡器的結構和使用的環(huán)境條件。如要制

42、作低外形衡器，一般應選用懸臂梁式和輪幅式傳感器，若對外形高度要求不嚴，則可 采用柱式傳感器。此外，衡器使用的環(huán)境若很潮濕，有很多粉塵，則應選擇密封形式 較好的；若在有爆炸危險的場合，則應選用本質安全型傳感器；若在高架稱重系統(tǒng)中， 則應考慮安全及過載保護；若在高溫環(huán)境下使用，則應選用有水冷卻護套的稱重傳感 器；若在高寒地區(qū)使用，則應考慮采用有加溫裝置的傳感器。在形式選擇中，有一個 要考慮的因素是，維修的方便與否及其所需費用，即一旦稱重系統(tǒng)出了毛病，能否很 順利、很迅速的獲得維修器件。若不能做到就說明形式選擇不夠合適。 5.5.2 量程的選擇量程的選擇 稱重系統(tǒng)的稱量值越接近傳感器的額定容量，則其

43、稱量準確度就越高，但在實際 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 17 使用時，由于存在秤體自重、皮重及振動、沖擊、偏載等，因而不同稱量系統(tǒng)選用傳 感器的量限的原則有很大差別。作為一般規(guī)則，可有：*單傳感器靜態(tài)稱重系統(tǒng)：固定 負荷（秤臺、容器等）+變動負荷（需稱量的載荷）（所選用的傳感器的額定載荷 x70%*多傳感器靜態(tài)稱重系統(tǒng)：固定負荷（秤臺、容器等）+變動負荷（需稱量的載荷） 所選用的傳感器的額定載荷 x 所配傳感器的個數(shù) x70%其中 70%的系數(shù)即是考慮振動、 沖擊、偏載等因素而加的。 需要說明的是：首先，選擇傳感器的額定容量要盡量符合生產(chǎn)廠家的標準產(chǎn)品系 列中的值，否則，選用了非標準產(chǎn)

44、品，不但價格貴，而且損壞后難以代換。其次，再 同一稱重系統(tǒng)中，不允許選用額定容量不同的傳感器，否則，該系統(tǒng)無法正常工作。 再者，所謂變動負荷（需稱量的載荷）是指加于傳感器的真實載荷，若從秤臺到傳感 器之間的力值傳遞過程中，有倍乘和衰減的機構（如杠桿系統(tǒng)） 、則應考慮其影響。 5.5.3 準確度的選擇準確度的選擇 稱重傳感器的準確度等級包括傳感器的非線性、蠕變、重復性、滯后、靈敏度 等技術指標。在選用的時候不應該盲目追求高等級的傳感器，應該考慮電子衡的準 確度等級和成本。一般情況下，選用傳感器的總精度為非線性、不重復性和滯后三 項指標的之和的均方根值略高于秤的精度。 5.5.4 使用環(huán)境使用環(huán)境

45、 稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉換成可測量的電信號輸出裝置。用傳感 器首先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對于正確選用傳感器至關重要，它 關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個衡器的可靠性和安 全性。一般情況下，高溫環(huán)境對傳感器造成涂覆材料融化、焊點開化、彈性體內應 力發(fā)生結構變化等問題；粉塵、潮濕對傳感器造成短路的影響；在腐蝕性較高的環(huán) 境下會造成傳感器彈性體受損或產(chǎn)生短路現(xiàn)象；電磁場對傳感器輸出會產(chǎn)生干擾。 相應的環(huán)境因素下我們必須選擇對應的稱重傳感器才能滿足必要的稱重要求。 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 18 6 6 ledled 顯示電路設計顯示電路設計

46、 6.16.1 ledled 顯示器結構與原理顯示器結構與原理 led 顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機應用系統(tǒng)中通常使用的 是七段 led。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種。共陰極 led 顯示塊的發(fā)光二極管陰極 共地。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮；共陽極 led 顯示塊的 發(fā)光二極管陽極并接。 6.26.2 ledled 顯示器與顯示方式顯示器與顯示方式 在單片機應用系統(tǒng)中使用 led 顯示塊構成 n 位 led 顯示器。n 位 led 顯示器有 n 根 位選線和 8*n 根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選 線控制字符選擇，位選

47、線控制顯示位的亮，暗。led 顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種 方式。我們使用的為動態(tài)顯示 led 動態(tài)顯示方式。在多位 led 顯示時，為了簡化電路， 降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個 8 位 i/o 口控制，而共陰極點或共 陽極點分別由響應的 i/o 口線控制。 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 19 7 7 注意事項注意事項 電阻應變式稱重傳感器本身是一種堅固、耐用、可靠的機電產(chǎn)品。但為了保證 測試精度，我們仍有許多在使用中要注意的問題，下面列出一些基本要求。 7.17.1 機械安裝方面機械安裝方面 稱重傳感器要輕拿輕放，尤其是由合金鋁制作彈性體的小容量傳感器，任何沖 擊、跌

48、落，對其計量性能均可能造成極大損害。對于大容量的傳感器，一般來說， 他具有較大的自重，故而要求在搬運、安裝時，盡可能使用適當?shù)钠鸬踉O備（如手 拉葫蘆、電動葫蘆等。） 安裝傳感器的底座安裝面應平整、清潔，無任何油膜，膠膜等存在。安裝底座 本身應有足夠的強度和剛性，一般要其高于傳感器本身的強度和剛度。 水平調整：水平調整有兩方面內容。一是單只傳感器安裝底座的底座平面要用 水平儀調整水平，另一方面是指多個傳感器的安裝底座的安裝面要盡量調整到一個 水平面上（用水準儀），尤其是傳感器數(shù)多于三個的稱重系統(tǒng)中，更要注意這一點， 這樣做的目的是為了使各傳感器所承受的負荷基本一致。 每種稱重傳感器的加載方向都是

49、確定的，而我們使用時，一定要在此方向上加 載負荷。橫向力、附加的彎矩、扭矩力應盡量避免。盡量采用有自動定位（復位） 作用的結構配件，如球形軸承、關節(jié)軸承、定位緊固器等。他們可以防止某些橫向 力作用在傳感器上。要說明的是：有些橫向力并不是機械安裝引起的，如熱膨脹引 起的橫向力，風引起的橫向力，及某些容器類衡器上的攪拌器的振動引起的橫向力 既不是機械安裝引起的。 某些衡器上有些必須接到秤體上的附件（如容器秤的輸料管道等），我們應讓 他們在傳感器加載主軸的方向上盡量柔軟一些，以防他們“吃掉”傳感器的真實 負荷合而引起誤差。 稱重傳感器周圍應盡量設置一些 “擋板”，甚至用薄金屬板把傳感器罩起來。 這樣

50、可防止雜物玷污傳感器及某些可動部分而這種 “玷污”往往會使可動部分運 動不爽，而影響稱重精度。系統(tǒng)有無運動不爽現(xiàn)象，可以用以下方法判別。即在秤 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 20 臺上加或減大約千分之一額定負荷看看稱重顯示儀是否反映，有反映，說明可動 部分未受“玷污”。 稱重傳感器雖然有一定的過載能力，但在稱重系統(tǒng)安裝過程中，仍應防止傳感 器的超載。要注意的是，即使是短時間的超載，也可能會造成傳感器永久損壞。在 安裝過程中，若確有必要，可先用一個和傳感器等高度的墊塊代替?zhèn)鞲衅?，到最后?再把傳感器換上。在正常工作時，傳感器一般均應設置過載保護的機械結構件。若 用螺桿固定傳感器，要求有一定

51、的堅固力矩，而且螺桿應有一定的旋入螺紋深度。 一般而言，固定螺桿因采用高強度螺桿。傳感器應采用鉸合銅線（截面積約 50mm2）形成電氣旁路，以保護它們免受電焊電流或雷擊造成的危害。 傳感器使用中，必須避免強烈的熱輻射，尤其是單側的強烈熱輻射。 7.27.2 電氣連接方面電氣連接方面 傳感器的信號電纜，不和強電電纜線或控制線并行布置（例如不要把傳感器信 號線和強電電源線及控制線置于統(tǒng)一管道內）。若它們必須并行布置，那么，它們 之間的距離應保持在 50cm 以上，并把信號線用金屬管套起來。 不管在何種情況下，電源線和控制線均應絞合起來，和程度50 轉/米，若傳 感器信號線需要延長，則應采用特制的密

52、封電纜接線盒。若不用此種接線盒，而采 用電纜與電纜直接對接（錫焊端頭），則應對密封防潮特別予以注意，接好后應檢 驗絕緣電阻，且要保證很高的測量精度，應考慮采用帶有中繼放大器的電纜補償電 路。 所有通向顯示電路或從電路引出的導線，均應采用屏蔽電纜。屏蔽線的聯(lián)接及 接地點應合理。 注意：傳感器本身是 4 線制，但在接線盒換成 6 線制接法。 傳感器輸出信號讀出電路不應和能產(chǎn)生強烈干擾的設備（如可控硅，接觸器等） 及有可觀熱量產(chǎn)生的設備放在同一箱體中，若不能保證這一點，則應考慮在它們之 間設置障板隔離之并在箱體內安置風扇。 用以測量傳感器輸出信號的電子線路，應盡可能配置獨立的供電變壓器，而不 要和接

53、觸器等設備公用同一主電源電阻的取值范圍應注意：阻值大小，所需的驅動 電流太大，輸出零點飄逸明顯，調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高抗外界 的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。應變元件的工作原理基于 導體和半導體的 “應變效應”，即當導體和半導體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值 將發(fā)生變化。 箔式應變片的敏感柵是用厚度為 0.003-0.01mm 的金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝 制成的。優(yōu)點是表面積與截面積之比大，散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓， 因而輸出靈敏度高，并可制成各種需要的形狀，所以選用這種傳感器。 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 21 8 系統(tǒng)方案總結系統(tǒng)方案總結

54、 工作原理數(shù)顯電子秤電路原理如 圖 8-1 所示，其主要部分為電阻應變式傳感器 r1、r2、r3、r4 及 ic2、ic3 組成的測量放大電路，和 ic1 及外圍元件組成的數(shù) 顯面板表。傳感器 r1 采用 e350-zaa 箔式電阻應變片，其常態(tài)阻值為 350 歐姆。 測量電路將產(chǎn)生的電阻應變量轉換成電壓信號輸出。ic2、ic3 將經(jīng)轉換后的弱電 壓信號進行放大，作為 a/d 轉換器的模擬電壓輸入。 ic4 提供 1.2v 基準電壓，它 同時經(jīng) r5、r6 及 rp2 分壓后作為 a/d 轉換器的基準電壓。 3-1/2 位 a/d 轉換器 icl7107 的參考電壓輸入正端，由 rp2 中間觸

55、頭引入，負端則由 rp3 的中間觸頭 引入。兩端參考電壓可對傳感器非線性誤差進行適量補償。 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 22 圖 8-1 電子秤電路原理 結束語結束語 本課題在選題及研究過程中得到 張玉蓮老師的悉心指導。 張老師多次詢問設 計思路，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。張老師 一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時幾周， 卻給予終生受益無窮之道。對 張老師的感激之情是無法用言語表達的。 這次畢業(yè)設計， 我花了大量的時間和精力進行資料查閱和方案論證，結合自己所 學，認真解決每一個功能模塊中遇到的問題有時，為了解決一個具體問題，

56、竟到了 絞盡腦汁的地步在設計完各個功能模塊之后，我用 protel99se 繪圖軟件進行了各個 模塊的繪制，并最終繪制成一個總的電路原理圖。使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè) 技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。 使我在傳感器的基本原理、傳感器的實際應 用，以及在常用傳感器設計思路技巧的掌握方面能向前邁了一大步，為日后成為合 格的應用型人才打下良好的基礎。我在指導老 師張老師的精心指導和嚴格要求下， 獲得了豐富的理論知識，極大地提高了實踐能力，并對當前電子領域的研究狀況和 發(fā)展方向有了一定的了解，這對我今后進一步學習傳感器方面的知識有極大的幫助。 在此，我衷心感謝 張玉蓮老師的指導和支持。在未來的工

57、作和學習中，我將以更好 的成績回報老師。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從一開始進入課題到論文的順利完 成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，我才能克服一個一個的 困難和疑惑。 在這里請接受我誠摯的謝意！ 謝謝你們！ 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)顯電子秤 23 參考文獻參考文獻 【1】 沙占友，王彥明，葛家怡，文環(huán)明等.智能傳感器系統(tǒng)設計與應用m.北京：電子工業(yè)出版 社，2004.6. 【2】 張玉蓮.傳感器與自動檢測技術m.北京：機械工業(yè)出版社，2007.9（2009.7 重印）. 【3】 劉俊文.使用電子電路設計制作 300 例m.北京：中國電力出版社，2005. 【4】

58、 劉迎春，等.現(xiàn)代新型傳感器原理與應用m.北京：國防工業(yè)出版社，2002. 【5】 劉燦軍.使用傳感器m.北京：國防工業(yè)出版社，2004. 【6】 郁有文，常建，程繼紅.傳感器原理及工程應用m.2 版.西安：西安電子科技大學出版社， 2003. 【7】 姜書儉，黃書萬.電阻器m.成都：電子科技大學出版社，1991. 【8】 吳躍，余水，傅彥等.internet 數(shù)據(jù)庫訪問技術j.電子科技大學學報，2001,30（1）： 58-61. 【9】 袁希光.傳感器技術手冊.北京：國防出版社，2000. 【10】 劉偉.傳感器原理及實用技術m.北京：電子工業(yè)出版社，2006. 電阻應變式力傳感器制作的數(shù)

59、顯電子秤 24 西安航空職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 設 計（論文）審 查 意 見 書 指導教師對學生 所完成的題目為 的畢業(yè)設計（論文）進行情況、完成質量的審查意見： 成績： 指導教師： 年 月 日 西安航空職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 設 計（論文）評 閱 意 見 書 評閱人對學生 所完成的題目為 的畢業(yè)設計（論文）評閱意見為： 成績： 評閱人： 年 月 日 西安航空職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 設 計（論文）答 辯 結 果 畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生 所完成的題目為 的畢業(yè)設計（論文）及答辯評語為： 經(jīng)答辯委員會研究，確定成績?yōu)椋?畢業(yè)設計（論文）答辯委員會主任： 答辯委員會委員： 年 月 日 該生畢業(yè)設

60、計（論文）最終成績評定： 審閱成績（權重 0.4） 評閱成績（權重 0.3） 答辯成績（權重 0.3） 最終成績 答 辯 記 錄 答辯人姓名答辯人學號 答辯時間： 湠繰?剮? vz 悡餃?bf館?產(chǎn)5n 雓l?dm?河,項 7?twrk仰-掁 h 晛 ?c 鏌 廞?扚?榲戂zo?v 礶 x鈲 lz 侶 cd 冎厼 3 狪#繾撉 oq 歡 hel: wzv?穼?.橽 s 磶刻 qu$穙 qo?盂寬嵿?s 仧髪嵸妢猋|? ?廚樏8鍟? 夃唟戹 vva?n)+/?w 乜鞡(葫箋測?謗 2 募廭 3;塰 c?in 鮚 y 微盄 0?鏲?首暫 i 蜂 x 峔 b?民礎r 錍 q 説 gepl6 泣zr