電阻應(yīng)變式載荷傳感器及測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)

1、南京航空航天大學(xué)綜合課設(shè)報(bào)告題目：電阻應(yīng)變式載荷傳感器及測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)學(xué)院： 自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)： 測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器組員： 2014年6月25日檢測(cè)技術(shù)綜合課設(shè)一、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)一個(gè)電阻應(yīng)變式載荷傳感器及傳感器特性自動(dòng)測(cè)試校準(zhǔn)系統(tǒng)。應(yīng)用力學(xué)、傳感器技術(shù)等相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)載荷傳感器，要求使用AUTOCAD繪制傳感器機(jī)械圖，分析推導(dǎo)應(yīng)變和載荷的關(guān)系。責(zé)任設(shè)計(jì)人：王偉強(qiáng)。2、設(shè)計(jì)傳感器調(diào)理電路，要求電路在滿足一定測(cè)試精度的前提下，盡可能簡(jiǎn)單，但可以設(shè)計(jì)兩個(gè)以上的電路。要求輸出電壓范圍為-3V3V。責(zé)任設(shè)計(jì)人：陳濤。3、設(shè)計(jì)51單片機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的采集和數(shù)字低通濾波處理，顯示載荷大?。ㄗ⒁獠皇?/p>

2、電壓大?。?，并將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳送給PC機(jī)。責(zé)任設(shè)計(jì)人：朱浪。4、編寫虛擬儀器程序，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通訊，完成校準(zhǔn)和對(duì)傳感器靜態(tài)特性曲線的顯示，計(jì)算傳感器的線性度（用最小二乘線性度、或端基線性度表示）、重復(fù)誤差等靜態(tài)指標(biāo)。（拓展）責(zé)任設(shè)計(jì)人。二、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.應(yīng)變片的設(shè)計(jì)（1）應(yīng)變片工作原理 電阻應(yīng)變敏感元件的轉(zhuǎn)換原理是基于導(dǎo)線的電阻-應(yīng)變效應(yīng)。由金屬導(dǎo)體的電阻定律知，對(duì)于長(zhǎng)度為、截面積為、電阻率為的金屬絲，其電阻 （式2-1）結(jié)合材料的泊松比定律，經(jīng)數(shù)學(xué)變換得金屬絲電阻應(yīng)變特性 （式2-2）則金屬絲靈敏系數(shù) （式2-3）故有 （式2-4）另外由于應(yīng)變片存在橫向效應(yīng)，因而對(duì)于應(yīng)變片

3、（式2-5）其中（2）應(yīng)變片的基長(zhǎng)查閱資料可知，為了使測(cè)量誤差減小，將展開為級(jí)數(shù)，并略去高階小量后，可得 （式2-6）粘貼在一定材料試件（為常量）上的應(yīng)變片，對(duì)正弦波的響應(yīng)誤差隨柵長(zhǎng)和頻率的增加而增大。因而在設(shè)計(jì)、應(yīng)用應(yīng)變片時(shí)，就可按上式給定的三者的關(guān)系，根據(jù)給定的精度，來(lái)確定合理的或工作頻率，即或 （式2-7）其基長(zhǎng)應(yīng)盡量選取短的，這樣可以更真實(shí)地測(cè)出被測(cè)部位的應(yīng)變值，以提高測(cè)量精度。對(duì)于鋼材，若令精度，最高工作頻率代入上式可得 （式2-8）故取應(yīng)變片柵長(zhǎng)。(2)傳感器彈性元件的設(shè)計(jì)我們組選擇設(shè)計(jì)的是量程為10kg的梁式傳感器，但由于普通的實(shí)心梁式傳感器具有傳感器輸出隨載荷位置的變化而變化這

4、一缺點(diǎn)，我們選擇使用如圖所示的梁式結(jié)構(gòu)： 圖1在板狀梁上有兩個(gè)孔 ,在梁的端部有集中力作用時(shí) ,孔內(nèi)承受彎曲變形。將應(yīng)變片粘貼在孔的內(nèi)壁（其實(shí)黏貼在內(nèi)表面也可以） ,應(yīng)變片處于相反的應(yīng)力區(qū)內(nèi),當(dāng)上表面應(yīng)變片變形為拉伸時(shí) ,下表面則為壓縮變形 ,四個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)電橋，輸出特性的線性度好。另外，這種梁的剛度比單梁好，故動(dòng)特性好 ,滯后小。根據(jù)應(yīng)力分布圖可以看出 ,受力點(diǎn)位置變化時(shí) ,一孔的彎矩增加，另一孔的彎矩減小，可在橋路內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)償，從而提高了傳感器精度，使用時(shí)對(duì)力點(diǎn)位置的要求也有所降低。 圖2 雙孔梁受力分析如下：可以把彈性體看作是上、下對(duì)稱的平行梁式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)屬于3次超靜定問(wèn)題。即此結(jié)構(gòu)

5、上的未知約束反力的數(shù)目比能列出的獨(dú)立靜力平衡方程的數(shù)目多三個(gè)。由理論力學(xué)可知：“限制物體某些運(yùn)動(dòng)的條件稱為約束”。物體與約束之間相互作用著力，約束給物體的力限制物體的某些運(yùn)動(dòng)?！凹s束給被約束物體的力稱為約束反力”。例如單懸臂梁結(jié)構(gòu)見圖9(a)，其一端固定，另一端為自由端。當(dāng)自由端作用力P時(shí)，固定端約束該梁在水平、垂直方向的移動(dòng)及相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。固定端給橫梁的約束用約束反力X、Y、表示。如圖9(b)所示。取坐標(biāo)系x0y，此力系為平面一般力系，能列三個(gè)獨(dú)立平衡方程來(lái)求解三個(gè)約束反力。即： X=0 , - PL =0, （式2-9）此結(jié)構(gòu)為靜定結(jié)構(gòu)。根據(jù)上面分析，我們可將圖8的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為下圖所示的 圖3計(jì)

6、算簡(jiǎn)圖。在上、下梁的固定端作用六個(gè)約束反力，它們分別是：、（作用在上梁）、（作用在下梁）此力系仍是平面一般力系，僅用靜力平衡方程只能解出三個(gè)約束反力，其余三個(gè)約束反力需用材料力學(xué)辦法才能求解。求解過(guò)程較復(fù)雜，我只引用其結(jié)論，在力P單獨(dú)作用下，當(dāng)t1/t2很小時(shí)，有： X= PL/2H(H為上下臂梁的高度) =P/2 =PL/4 （式2-10）載荷P及約束反力均為作用在梁上的外力，要討論梁的變形須分析作用在梁上各橫截面上的內(nèi)力。由于此結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，且結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同，所受外力也相同，我只研究上梁任一橫截面上的內(nèi)力。用材料力學(xué)的分析方法，為顯示出截面上的內(nèi)力，沿面aa假想地把梁分成兩部分，并以左段為

7、研究對(duì)象。則：由于原來(lái)的梁處于平衡狀態(tài)，所以梁的左段仍應(yīng)處于平衡狀態(tài)。作用于左段上的力，除外力、外，在截面aa上還有右段對(duì)它的作用內(nèi)力，把這些內(nèi)力、外力分別投影于x軸、y軸上，其總和應(yīng)等于零。由，得： （橫截面aa上的軸力）由，得： = （橫截面aa上的剪力）若把左段上的所有外力和內(nèi)力對(duì)截面aa的形心O取矩 ，其力矩總和應(yīng)等于零。一般說(shuō)，這就要求在截面aa上有一個(gè)內(nèi)力偶矩M，由得： （式2-11）因?yàn)樵谕饬ψ饔孟?，變形主要產(chǎn)生在梁深最小的截面附近，因此可以認(rèn)為截面A-A在變形后仍保持為平面且該截面的轉(zhuǎn)角不影響截面右邊的應(yīng)力場(chǎng)，那么令A(yù)-A截面的轉(zhuǎn)角為零。可以認(rèn)為左段上的約束反力作用在A-A截面

8、上。由于軸力和剪力對(duì)梁的變形影響很小，故在此僅討論彎矩M所產(chǎn)生的變形。由上式得出： （式2-12）將 和 代入上式得： （式2-13）x =0時(shí)， x = L/2時(shí)，x L時(shí)， (式2-14)雙孔梁尺寸設(shè)計(jì)如下：圖4由于我們用的是鋁合金材料，查資料可知其許用應(yīng)力=110MPa,彈性模量E=72GPa，假設(shè)黏貼應(yīng)變片處的梁孔的截面的寬度為b,高度為h，則，由于此傳感器的量程是0100N，在四處貼應(yīng)變處最大的應(yīng)變?yōu)椋?=(PL2+M)/EW （式2-15）其中P=100N,M=PL/4,而且=E (式2-16)取L2=150mm L=100mm b=30mm h=3mm H= 46mm 代入（式2

9、-16）得=64.8MPa110MPa,滿足要求。用CAD繪得結(jié)構(gòu)圖如下： (3)應(yīng)變片的黏貼工藝在處理好底層的彈性元件上，劃好貼片的定位線，經(jīng)清洗和干燥后，在貼片處均勻地涂一層貼片膠，適當(dāng)時(shí)間后按給定的方位將應(yīng)變計(jì)準(zhǔn)確地放在粘貼部位上，而后在應(yīng)變計(jì)上蓋上一層氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一個(gè)方向碾壓，擠出氣泡和過(guò)量的粘接劑，保證膠層薄而均勻。然后在上面放一塊硅橡膠并用夾具夾緊放入干燥箱進(jìn)行固化處理。貼片時(shí)膠層的厚度必須嚴(yán)加控制，片基和粘接劑膠層厚度對(duì)于減少蠕變有非常重要的影響，并也使粘結(jié)強(qiáng)度增高，更能準(zhǔn)確地傳遞試件的應(yīng)變。在實(shí)際工藝過(guò)程中膠層的厚度還受到其它因素的限制，例如絕緣電阻，因而也下能

10、無(wú)限制地薄，否則將降低其絕緣電阻造成傳感器性能不穩(wěn)定。貼片之后應(yīng)進(jìn)行初步檢查，檢查基底，蓋底有無(wú)損壞，敏感柵是否變形，貼片方位是否正確，有無(wú)斷路、短路，有無(wú)氣泡，有無(wú)局部未貼牢，貼片后電阻值變化不能太大(一般變化不大于±0.5)等。粘貼后的結(jié)構(gòu)如下：(3)總結(jié)與體會(huì)我覺得一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，第一步原理設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，雖然我們的知識(shí)還不太扎實(shí)，不過(guò)在大神的指導(dǎo)下，我們可以自己畫梁，取尺寸并計(jì)算，可以利用簡(jiǎn)單的運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)放大功能。設(shè)計(jì)的過(guò)程大神讓我們思考了各類方案的優(yōu)缺點(diǎn)，雖然最后已經(jīng)確定了使用某種方案。但是各種方案的提出和對(duì)比及選擇，才是對(duì)我們各類知識(shí)真正的考察，我們還需要豐富知識(shí)并積累經(jīng)驗(yàn)

11、。三、設(shè)計(jì)傳感器調(diào)理電路（1）儀用放大器儀用放大器： 圖一原理圖： 圖二 供電電流I=510mA,放大電路放大倍數(shù)為要達(dá)到放大器的放大要求則與的比值大小為13216倍左右。另： 恒壓源供電： 圖三 采用5V恒壓源供電電橋部分可以通過(guò)R5調(diào)零，即當(dāng)無(wú)載荷時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)R5是傳感器輸出為零。調(diào)理部分是一個(gè)差動(dòng)放大器，調(diào)節(jié)輸出端的滑動(dòng)變阻器即可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)到所要求的值。首先在托盤上放1kg的砝碼，將輸出電壓調(diào)到0.3V，在放2kg，將輸出電壓調(diào)到0.6V，依次正反行程調(diào)節(jié)幾次則輸出與載荷成線性關(guān)系，載荷從010kg對(duì)應(yīng)的電壓在03V。輸出電壓 u取5V，k=2,E=7×10N/m ，L

12、-L=55-30=25mm，H=20mm，b=20mm，D=15mm ，則=2.32×10P對(duì)應(yīng)載荷10kg時(shí)輸出電壓=2.32×10×10×9.8V=2.27×10V，要輸出3V，則放大倍數(shù)A=，即調(diào)理電路的放大倍數(shù)為13215.8。電源的選擇： 恒流源能提供固定電流，且內(nèi)阻極大，常常運(yùn)用在電子電路中用來(lái)穩(wěn)定偏置電流或作為放大器的有源負(fù)載，可大大提高電路的穩(wěn)定性和輸出增益。但是實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中恒壓源應(yīng)用得更廣泛。因?yàn)楹銐涸丛诔杀旧媳群懔髟匆秃芏?，具有較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。(2) 電路特性與原理特性：由于儀用放大器是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理，專門設(shè)計(jì)的精密差分

13、放大器，所以它具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：高共模抑制比、較小的線性誤差、高輸入阻抗、低噪聲等。工作原理：儀用放大器是在差動(dòng)放大器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其內(nèi)部是由三個(gè)運(yùn)放和一些精密電阻構(gòu)成，但實(shí)際使用電路如下： 圖四左邊為應(yīng)變電橋，中間的變阻器是調(diào)零電阻，右邊除電橋以外的電路為測(cè)量放大器。當(dāng)調(diào)零電阻的指針指向中間位置時(shí)，放大器的輸出應(yīng)該為零。實(shí)際輸出不為零，可通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)零電阻的指針左右滑動(dòng)來(lái)調(diào)零。測(cè)量放大器中，U3和U4是差模輸入和差模輸出的交叉耦合前置放大器。若把U3和U4視為各自具有一定反饋電阻的同相比例運(yùn)算電路，電路中R11為U3和U4的公用電阻且不接地。由于U3和U4工作于線性狀態(tài)，根據(jù)虛短特性，所

14、以R11上沒(méi)有共模電流。差模信號(hào)則可在R11兩端產(chǎn)生壓降，其放大倍數(shù)為1+2R9/R11。由上述分析可知，該放大器具有同上述儀用放大器的特點(diǎn)。定量分析：設(shè)加在運(yùn)放U3同相端的輸入電壓為V1，加在U4同相端的輸入電壓為V2，若U3、U4、U5都是理想運(yùn)放，則有虛短特性。設(shè)U3的輸出電壓為V3，U4的輸出電壓為V6。則有： V3=V1+ V6=V2- 所以儀用放大器的第一級(jí)的閉環(huán)放大倍數(shù)為 = 由于R9=R10，R12=R13=R14=R15，所以輸出電壓為 所以整個(gè)放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)為 由于電橋的滿量程輸出為50mV，若要使得調(diào)理電路的最大輸出為3V，則有： 即 因?yàn)镽9=5.1K，所以R11

15、=0.17K。加在R11上的電流為0.29mA。故可根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)選取0.25K的滑線變阻器R11。運(yùn)放U3和U4的選取原則是：器件的失調(diào)電壓小、溫漂低和輸入偏流小，同時(shí)要求U3和U4的匹配參數(shù)，以提高共模抑制比。關(guān)于后級(jí)運(yùn)放的選取原則是：具有優(yōu)良的共模抑制性能，滿足輸出端的電流、電壓或功率的要求。電路中所使用的外接電阻的溫度系數(shù)應(yīng)該盡可能的低。以便獲得盡可能低的溫度漂移。此外，還應(yīng)考慮到熱偶效應(yīng)，故應(yīng)當(dāng)使電路屏蔽，以防止氣流循環(huán)以及避免產(chǎn)生溫度梯度。同時(shí)電阻R12、R13、R14和R15阻值必須匹配，否則共模抑制比下降。總結(jié)與體會(huì)四、設(shè)計(jì)51單片機(jī)應(yīng)用程序單片機(jī)是把調(diào)理電路的輸出模擬電壓通過(guò)

16、AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后通過(guò)數(shù)字濾波處理，再把電壓值轉(zhuǎn)換為載荷值，以及把載荷值通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。流程圖如下： 返回中斷執(zhí)行開始串行口設(shè)置初始化取AD0832初始值轉(zhuǎn)換，濾波取值，把數(shù)值發(fā)送至SBUF等中斷濾波 ，電壓碼值轉(zhuǎn)換為質(zhì)量碼值，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示關(guān)中斷結(jié)束總結(jié)與體會(huì)我是單片機(jī)程序的編寫主負(fù)責(zé)，通信部分涉及到整個(gè)單片機(jī)的程序流程，通過(guò)和小組成員的討論，最終修改成了單片機(jī)不斷循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)到串口，labview也不斷循環(huán)讀串口的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，在獲取數(shù)據(jù)時(shí)也利用了取平均值的方法減小誤差這一方式。單片機(jī)的整個(gè)程序我也把它看懂了，了解單片機(jī)如何控制ADC0832，如何濾波，如何顯示等等。由于在

17、單片機(jī)中用匯編語(yǔ)言處理小數(shù)不易，所以數(shù)碼管顯示會(huì)存在一定的誤差。所以我想利用混合編程，即在匯編中調(diào)用C語(yǔ)言程序，C語(yǔ)言程序編寫的是數(shù)字量轉(zhuǎn)換成質(zhì)量，并分四位顯示在數(shù)碼管的程序，我利用仿真可以實(shí)現(xiàn)，但是燒寫在單片機(jī)中數(shù)碼管就出現(xiàn)了亂碼。因?yàn)樽约簩?duì)這塊確實(shí)還有很多地方不了解，所以原因暫時(shí)也沒(méi)有查出來(lái)，不過(guò)混合編程的思想我想今后也會(huì)不斷學(xué)習(xí)使用它。后來(lái)我們的小組隊(duì)員通過(guò)直接修改匯編程序，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)做補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管較精確的顯示。程序清單如下：ORG 0000HSTART:LJMP MAINORG 0023HLJMP INTERUPTORG 003FHMAIN: ADCS BIT P2.5 ;使

18、能接口ADCLK BIT P2.4 ;時(shí)鐘接口ADDO BIT P2.3 ;數(shù)據(jù)輸出接口ADDI BIT P2.2 ;數(shù)據(jù)輸入接口MOV SP,#60H MOV TMOD,#20H MOV TL1,#0FDHMOV TH1,#0FDHMOV PCON,#00H SETB TR1MOV SCON,#01010000BMOV IE,#90H ;串行口初始化LCALL GETDATA ; 調(diào)用AD轉(zhuǎn)換程序LCALL FIR ;調(diào)用濾波子程序MOV SBUF,38H ; 發(fā)送數(shù)據(jù)SJMP $ ;等中斷INTERUPT: ;中斷處理 CLR TILCALL GETDATALCALL FIRLCALL X

19、IANSHI ;調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序 MOV SBUF,38H RETIFIR: ;濾波子程序，低通濾波算法MOV 32H,AMOV 33H,#00HMOV R3,#6LOOP:MOV 30H,32H MOV 31H,33H LCALL GETDATA MOV B,#8 MUL AB MOV 32H,B MOV 33H,A MOV B,#248 MOV A,31H MUL AB RLC A MOV A,B ADDC A,33H MOV 33H,A JNC FIR1 INC 32HFIR1:MOV B,#248 MOV A,30H MUL AB ADD A,33H MOV 33H,A MOV A

20、,B ADDC A,32H MOV 32H,ADJNZ R3,LOOPMOV 38H,32HRETMOVE: ;74LS164移位子程序 MOV R7,#8 ;準(zhǔn)備送下后8個(gè)時(shí)鐘脈沖AD1:MOV C,ACC.7MOV P0.6,CRL A ;左移一次CLR P0.7NOPNOPSETB P0.7 ;形成一次時(shí)鐘脈沖NOPNOPDJNZ R7,AD1 ;循環(huán)8次RETZH: ;電壓值轉(zhuǎn)換為載荷值子程序MOV A,32HCJNE A,#23,LP0 ;用軟件實(shí)現(xiàn)誤差糾正LP0: ;值較大時(shí)減3LSB，較小時(shí)減2LSBJC LP7SUBB A,#03HSJMP LP8LP7:CJNE A,#03H

21、,LP9LP9: JNC LP10MOV A,#00HSJMP LP8 LP10:SUBB A,#02H;LP8:MOV B,#153DIV ABMOV 40H,A ;40H存放十位MOV A,BMOV B,#15DIV ABMOV 41H,A ;41H存放個(gè)位MOV A,#10MUL ABMOV B,#15DIV ABMOV 42H,A ;42H存放十分位MOV A,#10MUL ABMOV B,#15DIV ABMOV 43H,A ;43H存放百分位MOV R1,BCLR CCJNE R1,#8, ZH1;小數(shù)點(diǎn)省略部分四舍五入ZH1: JC ZH2 MOV A,43HADD A,#1MO

22、V 43H,AMOV A,#0ADDC A,42HMOV 42H,AMOV A,#0ADDC A,41HMOV 41H,AZH2: RETXIANSHI: ;數(shù)碼管顯示子程序LCALL ZHLD2:MOV R0,#40HMOV R3,#0FDHLD3:MOV P0,R3MOV A,R0MOV DPTR,#DTAB MOVC A,A+DPTRCJNE R3,#0FBH,LD4ANL A,#7fH ;在顯示個(gè)位的時(shí)候顯示小數(shù)點(diǎn)LD4:LCALL MOVELCALL DEL INC R0MOV A,R3JNB ACC.4,LD5RL A MOV R3,ALJMP LD3 DTAB:DB 0c0H,0f9H,0a4H,0b0H ;共陽(yáng)極段碼表DB 99H,92H,82H,0f8HDB 80H,90H ;對(duì)應(yīng)的是0-9的段碼 LD5:RET GETDAT