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文檔簡介
1、圖1電子秤平剖圖1臺面殼體 2均壓框架 3電阻應(yīng)變片 4彈性體 5補償電阻 6可調(diào)支撐腳 7底座如圖1所示,底座通過貼有電阻應(yīng)變片的雙孔型等強度彈性體梁與均壓框架相接,均壓框架用螺釘與殼體相聯(lián)。彈性體是應(yīng)變式力傳感器將力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量的關(guān)鍵部件。研究結(jié)果表明,雙孔梁彈性體按剛架計算比按平行梁計算精確,而且橋路輸出和載荷之間的線形好、靈 敏度高。非線性和靈敏度與豎梁的長度和剛度無關(guān)。由于采用陶材料設(shè)計制作彈性梁,其靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)不僅取決于彈性體結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)變區(qū)的選擇,而且和陶瓷材料的微結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及機械強度等因素密切相關(guān)。為此,進行了雙孔梁的應(yīng)力 分析、抗沖擊載荷分析、額定載荷計量等,并用計算機進行
2、了有限元分析。經(jīng)模 擬驗證分析,選用圖1a所示的雙孔梁結(jié)構(gòu)形式。該梁的應(yīng)力分布均勻?qū)ΨQ,其 應(yīng)力最大點在彈性梁的最薄偏離兩端處。根據(jù)圖1a所示的結(jié)構(gòu)形式:& = M W E(1)式中:&為應(yīng)變量;M為彎矩;W為抗彎模數(shù);E為彈性模量。對于這類應(yīng)變式彈性體上的全等臂電橋,其輸出電壓 V。和橋壓V有如下關(guān) 系:G V(2)式中:G為應(yīng)變電阻的應(yīng)變系數(shù)。將式(1)代入式(2),可得:Vo = GMV / WE(3)對于矩形截面,W 1/6b h2式中:b為彈性體承載面寬度;h為彈性體承載梁厚度。由A A剖面分析,負荷F必須由一對剪力F/2與之平衡。若取一應(yīng)變電阻 進行分析,F(xiàn)/2對應(yīng)變電阻中心點的彎
3、距為 M:F ( L/2-X)/ 2(4)以式(4)代入式(3),可得:V)= 3F ( L/2-X) GV/ bh2. E(5)由式(5)可見,雙孔梁的橋路輸出和載荷 F之間具有良好的線形,而且靈 敏度咼。電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng), 將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的 結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件, 其工作原理是基于 材料的電阻應(yīng)變效應(yīng),電阻應(yīng)變片即可單獨作為傳感器使用, 又能作為敏感元件 結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學量傳感器。導(dǎo)體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。 電阻應(yīng)變片 把機械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換R/R后,由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻
4、變化一般都很微小, 難 以直接精確測量,且不便處理。因此,要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的厶 R/R變化轉(zhuǎn) 換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響,抗干擾能力強,但因機械應(yīng)變的輸出信號小,要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。下圖為一直流供電的平衡電阻電橋,E接直流電源E:圖2.6傳感器結(jié)構(gòu)原理圖當電橋輸出端接無窮大負載電阻時,可視輸出端為開路,此時直流電橋稱為電壓橋,即只有電壓輸出。當忽略電源的內(nèi)阻時,由分壓原理有:Uo = U BD = Uab _ U ad=E( Rl)Ri R2 R3 R4(2.2)RjRs R2Rzt(Ri R2
5、HR3 R4)當滿足條件R1R3=R2R4時,即RiR2 二(2.3)Uo=0,即電橋平衡。式(2.3)稱平衡條件。應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡,從而使測量時電橋輸出電壓只與應(yīng)變 片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。_(R+也 R)2 (RAR)2E一 (R .:R) (R :R)1I(R :R) (R .:R) 1R二 k E(2.4)若差動工作,即 R1=R- R,R2=R+R,R3=R-AR, R4=R+ R,按式(2.2),則 電橋輸出為常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很小,約為2,機械應(yīng)變度約為0.0000010.001,所 以,電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為 0.0005 0.1歐姆。所以測量電
6、路應(yīng)當能精確 測量出很小的電阻變化,在電阻應(yīng)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電阻,其中任何一個都可以是電阻應(yīng)變片電阻,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(yīng)的關(guān)系時,電橋輸出為零,或則就有電壓輸出,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。常用的電阻應(yīng)變片有兩種:電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片,本設(shè)計中采用的 是電阻絲應(yīng)變片,為獲得高電阻值,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(dǎo)線,線柵上面粘有覆蓋層,起保護作用。電阻應(yīng)變片也會有誤差,產(chǎn)生的因素很多,因此測量時必須要注意。其中溫
7、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:A. 電阻絲溫度系數(shù)引起的。B. 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(yīng)變片, 也會因應(yīng)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的 一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多,一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定, 通過線性 補償,也可得到改善。 滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)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,
8、所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍 內(nèi)使用。測量電路中,將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?,當?yīng)變片初始阻值:Rl = R2= R3= R4,其變化值 Rl = R2 = R3=A R4時,其橋路輸出電壓 Uout =KE 。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍,非線性誤差和溫度誤差均得到改 善。前置大器部分經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低;經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行A/D轉(zhuǎn)換。為此,測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件 構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號
9、不僅電平低, 內(nèi)阻高,還常伴有較高的共模電壓。因此,一般對放大器有如下一些要求:1、輸入阻抗應(yīng)遠大于信號源內(nèi)阻。否則,放大器的負載效應(yīng)會使所測電壓 造成偏差。2、抗共模電壓干擾能力強。3、在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性,輸入漂移和噪聲 應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。4、能附加一些適應(yīng)特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便 準確的量程切換、極性自動變換等。因此放大電路采用儀器放大器,如:AD620,INA114等。此類芯片一般由3個運算放大器組成,其中A1,A2接成射級跟隨器形式, 組成輸入阻抗高的差動輸入級,在兩個跟隨器之間的附加電阻 Rg具
10、有提高共模 抑制比的作用,A3為雙端輸入,單端輸出的輸出級,以適應(yīng)接地負載的需要,放大器的增益由電阻RG設(shè)定,典型儀器放大器的增益設(shè)置范圍從 1到1000以AD620為例,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示:圖2.8 AD620 的內(nèi)部等效圖接口如下圖所示:圖2.9 AD620 的接口圖電路的工作原理:A1、A2工作在負反饋狀態(tài),其反向輸入端的電壓與同相 輸入端的電壓相等。即Rg兩端的電壓分別為Vin+、Vin-。因此Vin+Vin_Ig =Rg( 2.5)設(shè)圖(2.8)中電阻R1=R2=R,則A1、A2兩輸出端的電壓差U12為2 %(RR2 Rg)2 RfVin J(1)Rg( 2.6)將式(2.6)代入式
11、(2.5)得2rVo 二-Ui2 = 一(1)(Vm:Vin _)Rg放大器的增益Av為Uo(Vin 亠 VinRg)可見,僅需調(diào)整一個電阻 Rg,就能方便的調(diào)整放大器的增益。由于整個電路對稱,調(diào)整時不會造成共模抑制比的降低在接口圖(2.9)中,通過改變可變電阻R3的阻值大小來改變放大器的增益, 放大器增益計算公式如下:(2.8)49.4K11 G =1R3AD620具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。 其最大輸入偏置電流為20nA,這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。AD620在外接電阻Rg時,可實現(xiàn)11000范圍內(nèi)的任意增益;工作電源范圍為土 2.3 18V; 最大電源電流
12、為1.3mA最大輸入失調(diào)電壓為125V;頻帶寬度為120kHz(在 G=100時)。AD620是一種低耗高精度儀表放大器。僅需一個外接電阻即可得到 11000范圍內(nèi)的任意增益;2.3V一 18V的電源電壓;低功耗,最大電源電 流1.3mA,最大輸入失調(diào)電壓125uV,最大溫度漂移1uV/C,最大輸入偏移電 流20 nA;最小共模抑制比93dB(增益=10);輸入電壓噪聲9n V (1KHz); 0.28uV 噪聲 (0.1Hz10Hz);帶寬 120KHz (增益=100);建立時間 15us (0.01%)。 AD620的增益是用電阻Rg來決定的,即用引腳1和8之間的阻抗來決定的。使 用0.
13、1%1%的電阻,AD620就能提供精確的增益。對 G (增益)=1,Rg引腳 不連接(即Rg為無窮大)。其他的任何增益可按:49.4KR3計算。系統(tǒng)電源變壓器?設(shè)計電路時,選用LM317和 LM337型號的芯片為核心來設(shè)計電源電 路。LM317特性簡介以及典型應(yīng)用電路如下:特性:可調(diào)整輸出電壓低到1.25V ;保證1.5A輸出電流;典型線性調(diào)整率 0.01%;典型負載調(diào)整率0.1% ; 80dB紋波抑制比;輸出短路保護;過流、過熱 保護;調(diào)整管安全工作區(qū)保護。典型應(yīng)用電路參考如下:D2圖3.13 LM317典型應(yīng)用電路其輸出電壓計算公式如下:(3.5)R2Vout =Vref (1) ladj
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