電子秤電路設計與制作

1、電子秤電路設計與制作實驗報告姓名：學號：指導老師：通信與信息工程學院電子秤電路設計指導書一、實驗目的：輸出量本實驗要求學生設計并制作一個電子秤電路，要求能測量重量在0200g間的物體，輸出為電壓信號，通過調(diào)節(jié)電路使電壓值為對應的重量值，電壓量綱mv改為重量綱g即成為一臺原始電子秤。二、基本原理：基本思路 總體設計思路如圖1所示，所測重量經(jīng)過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電阻變化，再經(jīng)過測量電路轉(zhuǎn)化為電壓變化，經(jīng)過放大電路放大調(diào)節(jié)后輸出顯示得到所需信號。圖1 基本設計思路電阻應變式傳感器本設計主要通過電阻應變式傳感器實現(xiàn)。電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，實現(xiàn)電測非電量的傳感器。傳感器由在

2、不同的彈性敏感元件上粘貼電阻應變片構(gòu)成，當被測物理量作用在彈性敏感元件上時，彈性敏感元件產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應變片一起變形，電阻應變片再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。應變式電阻傳感器是目前在測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)中應用最廣泛的傳感器之一。1、彈性敏感元件 物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形，而當外力去掉后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀，這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。 彈性敏感元件是指元件在感受到力、壓力、力矩、振動等被測參量時，能將其轉(zhuǎn)換成應變量或位移量，彈性敏感元件可以把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種所需要的物理狀態(tài)。2

3、、電阻應變片 對于一段長為L，截面積為S，電阻率為的導體，未受力時電阻為 R = ，在外力的作用下，電阻絲將會被拉伸或壓縮，導體的長度L、截面積S以及電阻率等均將發(fā)生變化，從而導致其電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“電阻應變效應”。 利用金屬或半導體材料電阻絲的應變電阻效應，可以制成測量試件表面應變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)感受應變，并產(chǎn)生較大的電阻變化，通常把應變絲制成柵狀的應變敏感元件，即電阻應變片，通常由敏感柵、基底、蓋片、引線和黏結(jié)劑等組成。測量電路電阻應變片把機械應變信號轉(zhuǎn)換成電阻變化后，由于應變量及其應變電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換

4、電路，把應變計的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，以便于測量。具有這種轉(zhuǎn)換功能的電路稱為測量電路。電橋電路是目前廣泛采用的測量電路，常見的直流電橋電路如圖2， 圖2 直流電橋電橋輸出電壓為Uo=U （式1）R1、R2、R3、R4為四個橋臂，當一個臂、兩個臂或四個臂接入應變片時，就相應構(gòu)成了單臂、雙臂和全臂工作電橋。下面分別就單臂、半橋和全橋電路進行討論。（1）單臂工作電橋 圖3 單臂工作電橋如圖3所示，R1為電阻應變片，R2、R3、R4為固定電阻。應變片未受力時電橋處于平衡狀態(tài)，R1R3=R2R4,輸出電壓U0=0，當承受應變時，R1阻值發(fā)生變化，設為R1+R，電橋不平衡，產(chǎn)生輸出電壓為Uo=R1

5、+RR3-R2R4(R1+R+R2)(R3+R4) （式2）設R1=R2=R3=R4=R,又R<<R1,則UoU4RR （式3）(2)雙臂工作電橋若在兩個橋臂上計入電阻應變片，其他橋臂為固定電阻，則構(gòu)成雙臂工作電橋，如圖4，R1、R2為電阻應變片，R3、R4為固定電阻。當應變片承受應變時，R1電阻增大R，R2電阻減小R，這種電橋成為差動電橋。圖4 雙臂工作電橋此時電橋不再平衡，輸出電壓為Uo=U2RR （式4）由式知半橋的輸出是線性的沒有非線性誤差問題，而且靈敏度比單臂提高了一倍。（3） 全臂工作電橋 若四個橋臂上全為電阻應變片，則構(gòu)成全橋工作電路，如圖5所示，R1、R2、R3、R

6、4全為電阻應變片。承受應變時，R1、R3電阻增大R，R2、R4電阻減小R。圖5 全臂工作電橋電橋不再平衡，輸出電壓為Uo=URR （式5）由式知，全橋的電壓輸出是線性的，沒有非線性誤差問題，而且其靈敏度是單臂的4倍，是半橋的2倍。電子秤實驗采用的是全橋測量電路，我們選取直流電源電壓為8V。所取的應變片未承受應變時阻值R1=R2=R3=R4=350，當測量滿量程200g物體時，測得應變片阻值變化R大約在0.10.3之間（參見文章最后實驗數(shù)據(jù)記錄表1、表2）。我們?nèi)=0.2,U=8V,則測量電路的輸出電壓為Uo=URR0.0046V。因為在實際電路中，應變片未承受應變時，電橋不一定處于完全的平衡

7、狀態(tài)，即R1R3-R3R4不為零，輸出Uo不為零,故在測量電路中加入滑動變阻器做調(diào)零用，測量電路如圖6所示圖6 電子秤測量電路差分放大電路 測量電路將應變計的電阻變化轉(zhuǎn)換成了電壓變化，由于所得的輸出信號一般都很微弱，如果在遇到干擾的時候可能會導致測量結(jié)果的錯誤，因此采集到電壓信號后，要對電壓信號進行放大，濾波，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會有所提高，讓顯示的數(shù)據(jù)也更加準確。先采用差分放大電路對電壓進行放大，我們先討論簡單的差動放大器，如圖7所示,Vi1、 Vi2為輸入，Vo為輸出。 圖7 基本差動放大器輸出電壓Vo=-R2R1Vi1+(1+R2R1) R4R3+R4Vi2 （式6）本實驗

8、中運算放大器采用OP07芯片, OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放 大傳感器的微弱信號等方面。OP07管腳圖如圖9所示。圖8 op07管腳圖OP07芯片引腳功能說明： 1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接負電源或接地，5空腳 6為輸出，7接正電源。本實驗中采用的差分放大電路如圖9所示. 圖9 差分放大電路該電路由三個運算放大器組成，Vo1、Vo2和Vo分別為三運放的輸出電壓。分析電路知流過

9、R2、R1的電流相等，設為i，可以計算出理想的輸出電壓Vo. i=Vi1-Vi2R1 （式7） Vo1=Vi1+R2i （式8） Vo2=Vi2-R2i （式9） Vo=R4R3(Vo1-Vo2)=R4R3(1+2R2R1)(Vi1-Vi2) （式10）下面就各電阻應取阻值大小進行分析：前面已經(jīng)計算過，當承重為滿量程200g時應變片變化R取0.2，此時測量電路輸出電壓Uo4.6mV，即差分放大電路的差模輸入Vi1-Vi2=4.6mV,而要求的最終輸出電壓為200mV，故需將Uo放大40多倍。由式（10）知差分放大電路的放大倍數(shù)為R4R3(1+2R2R1)，主要由R4R3及R2R1的值決定，但R

10、1、R3太小會從集成運放中獲取太大的電流，太大的R4、R2會增加電阻產(chǎn)生的噪聲，故其放大倍數(shù)不宜太大，我們可先通過差分放大電路將電壓信號放大至100mV左右，再通過后續(xù)的放大電路將其進一步放大以達到所要求值。實驗中取R2=R3=10k,R4=51k,而將R1用一個2k固定電阻和10k滑動變阻器Rb串聯(lián)代替，即放大倍數(shù)為5.1(1+20Rb+2),可以通過改變Rb阻值來進行調(diào)節(jié)。差分放大電路具有以下優(yōu)點：1）高輸入阻抗。被提取的信號是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。2）高共模抑制比。電路對共模信號幾乎沒有放大作用,共模電壓增益接近零。3）低噪聲、低漂

11、移。主要作用是對信號源的影響小，拾取信號的能力強，以及能夠使輸出穩(wěn)定。4）電路的增益可以通過改變電阻R1阻值來調(diào)節(jié)。二級放大電路電壓信號經(jīng)過差分放大電路放大后并不能滿足預期要求，故需要將其進行進一步放大，后續(xù)放大電路如圖所示圖10 二級放大電路Vin為輸入信號即差分放大電路的輸出，Vout為輸出。Vin-VoR1=Vo-VoutR2 （式11）Vout=R1+R2Vo-R2VinR1 （式12）前面通過差分放大電路將電壓信號放大至100mV左右，故需再將其放大約2倍，取R2=20k，R1=10k，可以通過調(diào)節(jié)Rb使輸出為200mV。電子秤實驗的整體電路見附圖。三、需用器件與單元：傳感器、實驗臺

12、、實驗元件箱。四、實驗步驟：電路調(diào)試與數(shù)據(jù)記錄圖1傳感器托盤安裝示意圖1、將托盤安裝到傳感器上，如圖1所示2、測量應變片的阻值：當傳感器的托盤上無重物時，分別測量應變片R1、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3、R4的阻值變化，記錄于表1-1、1-2中，分析應變片的受力情況（受拉的應變片：阻值變大，受壓的應變片：阻值變?。?。3、設計測量電橋中各應變電阻的組合方法，計算出在±4V供電情況下，測量電橋可能提供的最大電壓變化量。4、電橋電路稱重測量：在未供電情況下，搭建測量電橋電路。在±4V供電情況下,首先調(diào)節(jié)電橋零點，然后依次加減砝

13、碼兩次，用電壓表測量電橋電路的輸出電壓并做好實驗記錄。實驗數(shù)據(jù)記錄于表2-1、2-2中。5、在未供電情況下，搭建好儀表放大器電路及后面的放大電路。注意：元件選取，線路連接一定要正確。特別是電源線更不能接錯，以免損壞實驗設備。6、差動放大器調(diào)零：不要連接電橋電路，將放大電路的輸入端短接（及整體電路圖中所標的A B點短接）。將主機箱上的電壓表量程切換開關切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器Rb至合適位置(先順時針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時針回轉(zhuǎn)1圈)后，再調(diào)節(jié)放大器的調(diào)零電位器Rc，使電壓表顯示為零。7、系統(tǒng)電路調(diào)零：關閉主機箱電源，按整體電路圖接線（AB間接線斷開），將

14、±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調(diào)節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器Ra，使主機箱電壓表顯示為零。8、系統(tǒng)輸出增益調(diào)節(jié)：將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器Rb（見整體電路圖）使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測量)。9、重復7、8步驟的標定過程，一直到精確為止。10、系統(tǒng)稱重實驗：將10個20g砝碼依次放在托盤上稱重，結(jié)果記錄于表3-1；再將砝碼依次取下，結(jié)果記錄于表4-2。放上筆、鑰匙之類的小東西稱一下重量。實驗完畢，關閉電源。五、實驗記錄表如下面格式：1、測量應變片的阻值表1-1 第一組測量數(shù)值R1R2R3R4空量

15、程時阻值/滿量程時阻值/表1-2 第二組測量數(shù)值R1R2R3R4空量程時阻值/滿量程時阻值/表1-3 第三組測量數(shù)值R1R2R3R4空量程時阻值/滿量程時阻值/2、電橋電路稱重測量（1）表2-1：將10個20g砝碼依次放上托盤，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）020406080100120140160180200輸出電壓（mv） （2）表2-2：將10個砝碼依次取下，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）200180160140120100806040200輸出電壓（mv）繪制實驗曲線3、系統(tǒng)稱重數(shù)據(jù)記錄（1）表3-1：將10個20g砝碼依次放上托盤，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）020406080100120140160180200輸出電壓（mv）（2）表3-2：將10個砝碼依次取下，記錄輸出電壓數(shù)值。砝碼重量（g）2001801601