電阻式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計

課程設(shè)計課程課程傳感器課程設(shè)計題目電阻式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計院系電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級測控技術(shù)與儀器11—1學(xué)生姓名李寵學(xué)生學(xué)號110601220127指導(dǎo)教師2012年6月25任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計題目電阻式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè)測控技術(shù)與儀器11—1姓名李寵學(xué)號110601220127主要內(nèi)容：本設(shè)計是基于電阻式傳感器的應(yīng)用電路設(shè)計，其主要包括三個環(huán)節(jié)即：敏感環(huán)節(jié)（金屬應(yīng)變片全橋電路）、放大環(huán)節(jié)（放大器）、轉(zhuǎn)換處理環(huán)節(jié)（A/D轉(zhuǎn)換和單片機處理）。金屬應(yīng)變片感受外界力的作用，將非物理參量轉(zhuǎn)換為電參量，然后經(jīng)后續(xù)電路放大、A/D轉(zhuǎn)換和單片機處理顯示。基本要求：1、設(shè)計一個電阻式傳感器的應(yīng)用電路。2、對本設(shè)計進行測試、評估。3、說明所用傳感器的基本工作原理、畫出應(yīng)用電路電路圖、寫明電路工作原理、注明元器件選取參數(shù)、進行方案比較。主要參考資料：[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社.2005.12[2]劉潤華，劉立山.模擬電子技術(shù)[J].自動化儀表.2005.6:21-23.[3]黃賢武，鄭筱霞.傳感器及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社.2004.3:22-28[4]張剛毅.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社.2006.8:295-297完成期限2012.7.1—2012.7.11指導(dǎo)教師專業(yè)負(fù)責(zé)人2012年7月7日傳感器課程設(shè)計摘要在一些工程實踐中，我們不免對力進行測量，在眾多測力傳感器中，電阻式傳感器以其體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍大等眾多優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計選用應(yīng)變式電阻傳感器。應(yīng)變式電阻組成全橋差動電橋，當(dāng)電阻受到力的作用時，電阻會發(fā)生形變導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡產(chǎn)生一個輸出值，輸出值經(jīng)放大器放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，然后由單片機分析處理顯示。經(jīng)過多次測試，證實該系統(tǒng)能長時間穩(wěn)定工作，完全滿足設(shè)計要求指標(biāo)。本設(shè)計能學(xué)以致用，充分了解電阻式觸感器的應(yīng)用原理，理論聯(lián)系實際，能夠加深對傳感器的理解。關(guān)鍵詞：應(yīng)變式電阻；放大器；單片機；A/D轉(zhuǎn)換目錄TOC\o"1-2"\u一、設(shè)計要求 11、功能與用途 12、課題意義及產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀 1二、方案設(shè)計 11、方案說明 12、方案論證 2三、電阻應(yīng)變片式傳感器工作原理 2四、電路的工作原理 3五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇 41、單元電路設(shè)計 42、參數(shù)計算 63、器件選擇 6六、總結(jié) 7

電阻式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計一、設(shè)計要求1、功能與用途電阻式傳感器就是利用非電學(xué)量（如力、位移、加速度、角速度、溫度、光照強度等）的變化，引起電路中電阻的變化，從而把不易測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，便于測量，且可以輸入計算機進行處理，做這種用途的電阻稱為電阻式傳感器。大致分為電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻式、磁電式、光敏電阻式。如將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。例如，研究或驗證機械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應(yīng)力、變形情況?；?qū)?yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、加速度等物理參數(shù)。2、課題意義及產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀電阻式傳感器和相應(yīng)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、加速度、扭矩等測量儀表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國防等部門進行自動稱重、過程檢測和實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化不可缺少的工具之一。隨著人們對測量要求的提高，傳統(tǒng)的機械測力方式已不能滿足人們的要求，電阻式傳感器以其體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍大、可靠性好等眾多優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。二、方案設(shè)計1、方案說明方案一：壓電式測力基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。應(yīng)用原理：壓電效應(yīng)。某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)或順壓電效應(yīng)，參考電路如圖1所示。優(yōu)點：壓電式傳感器具有反應(yīng)速率高，靈敏度較強，重復(fù)性好，頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。應(yīng)用領(lǐng)域：壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。缺點：價格昂貴，且壓電系數(shù)低，靈敏度低，外接電路復(fù)雜。某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。壓電傳感器放大電路壓電傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換顯示方案二：電阻應(yīng)變片式測力以電阻應(yīng)變計為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計、補償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計一起變形。電阻應(yīng)變片式傳感器的原理：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力（拉力或壓力）的作用時，產(chǎn)生機械變形，導(dǎo)致其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化，參考電路如圖2所示。優(yōu)點：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，體積小，電阻率高而穩(wěn)定，頻率響應(yīng)范圍大，無非線性誤差，具有溫度補償?shù)淖饔谩＞雀?，測量范圍廣壽命長,結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。電阻傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換顯示電阻傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換顯示圖2方案二原理框圖2、方案論證通過方案比較，由于方案二的抗干擾能力較強，電路實現(xiàn)簡單，故選用方案二。電阻應(yīng)變片式應(yīng)用和測量范圍廣，精度和靈敏度高，頻率響應(yīng)特性好，對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強，經(jīng)濟實惠。三、電阻應(yīng)變片式傳感器工作原理設(shè)一根金屬導(dǎo)體的電阻R為：(1)如果對其均勻用力，則ρ,L,A的變化dρ,dL,dA將引起電阻dR的變化(2)其相對變化量為：(3)若電阻絲是圓的，則，r為電阻絲的半徑，則(4)令,則為金屬絲軸向應(yīng)變;令,則為金屬絲徑向應(yīng)變則(5)將(4)和(5)代入(3)中(6)(7)令(8)(9)根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得σ(10)式中σ——試件的應(yīng)力；ξ——試件的應(yīng)變；E——試件材料的彈性模量（kg/mm2）。由此可知，應(yīng)力值σ正比于應(yīng)變ξ，而試件應(yīng)變又正比于電阻值的變化dR，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。這就是應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。四、電路的工作原理電路的工作原理如圖3所示，應(yīng)變式電阻組成全橋差動電橋，當(dāng)電阻受到力的作用時，電阻會發(fā)生形變導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡產(chǎn)生一個輸出值，輸出值經(jīng)放大器放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，然后由單片機分析處理顯示。4個電阻應(yīng)變片接入全橋差動電路中，在未受外力時，電橋處于平衡狀態(tài)，其輸出為零，為：(11)平衡時UO=0,所以R1R4=R2R3(12)當(dāng)受到外力作用時，即兩個受拉，兩個受壓，且滿足△R1=△R2=△R3=△R4，則輸出電壓為：(13)(14)差動全橋電路UO與成線性關(guān)系，不存在非線性誤差，靈敏度高（是單臂電橋的四倍），還可以起到溫度補償?shù)淖饔?。其輸出電壓UO為毫伏級別需經(jīng)放大器A1放大到伏級別，隨后進行A/D轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字量送入單片機，然后由單片機控制顯示器顯示。圖3整體電路連接圖五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(1)全橋差動電路4個電阻應(yīng)變片接入如圖4所示的全橋差動電路中，在未受外力時，電橋處于平衡狀態(tài)，其輸出為零，當(dāng)收受到外力作用時，原平衡被打破，電橋輸出一個電壓值。R1R4受拉R2R3受壓，變化量都為△R。圖4全橋差動電路圖(2)放大電路放大環(huán)節(jié)選用如圖5所示的基本差分放大器，有利于抑制共模干擾（提高電路的共模抑制比）和減小溫度漂移。圖5放大環(huán)節(jié)電路圖(3)轉(zhuǎn)換、處理環(huán)節(jié)電路如圖6所示的電路由ADC0809、SUN7474、STC89C52組成。放大后的電壓值為模擬量，不能直接送入單片機處理，須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字量后送入單片機處理并顯示在LCD1602上。圖6轉(zhuǎn)換、處理環(huán)節(jié)電路圖2、參數(shù)計算(1)全橋差動電路輸出電壓為：(15)(2)放大電路由于電路完全對稱，所以(16)由所選電阻參數(shù)的放大增益為500。3、器件選擇(1)R1-R4為電阻應(yīng)變片。應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要??；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強度；加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對引線材料的熱電勢小。(2)R5-R9為普通電阻。A1為LM324運放。LM324系列由四個獨立的，高增益，內(nèi)部頻率補償運算放大器。(3)U1為ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成(4)U2為STC89C52單片機。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16位

定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。(5)U3為SUN7474觸發(fā)器。用來分頻的（ADC0809頻率受限，通常使用頻率為500KHZ，用SUN7474分頻）。系統(tǒng)需要的元器件清單表1元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注R1-R4金屬應(yīng)變片1K4無R5-R9電阻1K5無A1運放LM3241無U1A/D轉(zhuǎn)換器A/DC08091無U2單片機STC89C521無U3觸發(fā)器SUN74741無C1-C2瓷片電容30p2無Y1晶振12M1無C3極性電容22u50V1無六、總結(jié)本設(shè)計采用全橋差動電路，消除非線性誤差，還能起到溫度補償?shù)淖饔?。在放大和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)均采用了高性能的芯片，從而避免了搭載電路的不穩(wěn)定。整套方案能長時間穩(wěn)定工作，完全滿足設(shè)計要求指標(biāo)。從而證明了電阻式傳感器就是利用非電學(xué)量的變化，引起電路中電阻的變化，從而把不易測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，便于測量，且可以輸入計算