课程设计5自动1凌亚飞09010030

检测技术与应用课程设计报告系别自动化工程系班级09自动化1班姓名凌亚飞学号09010030指导教师张桂玉2012年1月应变力式传感器一、设计目的１、掌握金属箔式应变片的应变效应的工作原理和性能。２、掌握单臂、半桥、全桥的工作原理和性能。３、分析单臂、半桥、全桥的异同。４、了解各种测量电路的优点。５、利用开放式传感器实验箱更具体的了解应变力式传感器的工作原理和应用。６、掌握用LabVIEW进行实验分析的方法。７、掌握正确调试电路的方法。８、提高动手分析能力。二、设计任务及要求１、测量输出电压与加负载重量值的关系。２、根据所提供的设备，正确选择传感器、相关元件。计算机、LabVIEW虚拟仪器软件和DRLAB快速可重组综合实验台为必选设备；传感器的范围已经确定、其他元件可根据自己需求自行选择。３、论述基本原理，并画出相关电路图。论述本次设计中所设计到的所有相关知识概念及原理；电路图参考教材电路自己设计。４、按照电路原理图在开放式传感器实验箱中搭建电路。在调试电路时注意各元件的性能参数指标，避免损坏。应变力式传感器的测量电路增益的变化极其灵敏，很难调出增益大小一致的情况，所以在不同的时间记录的数据可能会存在不同，但对实验结果进行分析得出的特性与应变力式传感器特性相一致。５、参考已完成的脚本，使用LabVIEW来设计光电传感器虚拟仪器，包括前后面板。脚本中的控件自己任意选择（注意：不能和已完成的脚本完全一样）。脚本中应注出自己与合作者的姓名、班级等信息。６、软硬件结合验证，并调试，直到测试正确。给出测量的结果和分析，包括数据表格和曲线关系等。７、回答相关问题８、设计报告包括以下主要内容：设计目的及要求设计使用的仪器和设备完整的检测系统设计方案相关知识及原理检测电路的设计图纸及实验电路硬件、软件实验步骤设计整体验证小结参考资料三、可供选择的仪器和设备１、计算机２、LabVIEW虚拟仪器软件３、DRLAB快速可重组综合实验台４、开放式传感器实验箱５、应变式传感器、光敏电阻、集成温度传感器、霍尔开关传感器CS3020、铂电阻温度传感器、k型热电偶、二集管温度传感器、三集管温度传感器、噪声传感器。６、电阻、光源、热源、砝码、跳线等。四、总体设计（一）设计方案１、传感器的选择：应变式传感器应变力式传感器图２、硬件实现：通过应变力式传感器，得到物料重量与输出电压的关系曲线。实际使用时将测量电压按该曲线反求出实际重量就可以了。３、软件实现：应用LabVIEW编写实验脚本４、设计整体验证：软件硬件结合、测试验证设计的正确性（二）基本原理应变式传感器电压/重量关系曲线：y=kx+b式中y为传感器电压，x为物料重量。，K为常数。k,b为常数，由公示可知，应变式传感器电压与物料重量成线性关系。一、金属箔式应变片基本工作原理电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械形变的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：RR=Kε式中RR为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，LL为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。二、测量电路图一，图二是压力传感器的测量电路，由两个部分组成。前一部分是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29，R40调整运放增益。仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。其增益可用下式表示：A＝（1+29302RR）单臂电桥性能实验原理图一单臂电桥性能实验原理图二(1)直流电桥原理直流电桥的基本形式如图2-1所示。R1，R2，R3，R4为电桥的桥臂电阻，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。图2-1直流电桥的基本形式(2)半桥：若图2-1中支流电桥的相邻两臂为传感器，即R1和R2为传感器，并且它们的相应变化为△R1和△R2，则该电桥输出电压V0≠0，当△R1=△R2，R1=R2，R3=R4时，则得V0=(1/2)E11RR上式表明，V0与11RR成线性关系，比单臂电桥输出电压提高一倍，差动电桥无非线性误差，而且电压灵敏度SV为SV=(1/2)E比使用一只传感器提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。(3)全桥：若图2-1中直流电桥的四臂均为传感器，则构成全桥差动电路。若满足△R1=△R2=R△3=△R4，则输出电压和灵敏度为：V0=(1/2)E11RRSV=E由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥的输出电压和灵敏度的4倍，是半桥式直流电桥的输出电压和灵敏度的2倍。五、具体步骤（一）硬件实现步骤：１、准备相应的硬件设备，其中包括应变力式传感器及其它实验仪器。２、在实验电路板上搭建电路，仔细检查接线。３、在应变力式传感器托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值，直到1Kg砝码加完。４、使用MicrosoftExcel画出传感器电压与砝码重量的线性变化曲线。５、通过曲线，在得出传感器电压的情况下反求出砝码重量。图1-1单臂电路连接图图1-2半桥电路连接图图1-3全桥电路连接图（二）软件实现步骤１、在桌面上运行LabVIEW主程序图标,或在“开始”程序中运行快捷方式。进入LabVIEW工作平面，如图2-1示。2-1LabVIEW工作平面２、点击选项，或者点击文件—新建VI，如图2-2所示。图2-2新建VI３、弹出前面板和程序框图，如图2-3、2-4所示图2-3前面板图2-4程序框图４、（在设计虚拟仪器界面前，需要对所设计的系统有完整的了解，知道其需要用到的VI，）针对此个应变力传感器称重测量系统的设计，需要四个数值输入控件分别控制采集芯片的采样频率、采样长度、X1值和X2值，需要六个数值显示控件分别控制标定的结果和总的数值。需要四个布尔开关来控制界面脚本的运行与停止，需要一个I/O的波形；找到需要的所有控件，并将其置于前面上，右键点击前面板弹出控件选板，点击数值控件-点击数值输入控件，如图2-5所示。图2-5选择数值输入控件５、选择数值输入控件后，界面如图2-6所示；图2-6添加有数值输入控件的界面６、如步骤4、5所示再次添加一个数值输入控件，如图2-7所示；图2-7再次添加有数值输入控件的界面７、将这两个数值输入控件的标签分别改成其对应控制的内容，以方便系统设计和原理程序框图的连接，双击“数值”和“数值2”，分别将其更改为“采样频率”和“采样长度”，如图2-8所示；图2-8更改标签后的界面8、找到需要的所有控件，并将其置于前面板上，右键点击前面板弹出控件选板，点击数值控件-点击数值输出控件，如图2-9所示；图2-9添加输出控件的界面9、将这个数值输出控件的标签改成其对应控制的内容，以方便系统设计和原理程序框图的连接，双击“数值”，将其更改为“电压”，如图2-10所示；图2-10更改标签后的界面10、如步骤8、9依次增加各种元件将新添加的数值显示控件的标签更改为系统所需要的内容，如图2-11所示图2-11更改标签后的界面11、右键点击前面板弹出控件选板，点击布尔控件-点击开关按钮，如图2-12所示；图2-12点击布尔控件12、选择开关按钮后，将其置于合适的位置，如图2-13所示；图2-13选择开关按钮13、将这个开关的标签改成其对应控制的内容，以方便系统设计和原理程序框图的连接，双击“OKButten”，将其更改为“开关”，如图2-14所示；图2-14更改标签后的界面14、如步骤8、9，在布尔控件下选择三个自己喜好的按钮进行创建，并将其标签进行更改为标定1、标定2和标定结果的属性改为释放时触发，如图2-15所示。图2-15添加三个开关后的界面15、右键点击前面板弹出控件选板，点击图形控件-点击波形图，如图2-16所示；图2-16波形图选择16、选择波形图后（波形图根据实际需要来选择），将其置于合适的位置，并在前面板的相应位置输入系统所要表达的要求，如图2-17所示；图2-17初步完成的前面板界面17、在前面板上按住CTRL+E或者点击窗口-选择显示程序框图激活程序框图界面，如图2-18所示；图2-18程序框图界面18、右击程序框图界面弹出函数选板，点击选择VI,如图2-19所示图2-19函数选板19、选择下拉菜单中，selectaVI选项，如图2-20所示图2-20选择VI20、在对话框中选择“getUSBAdwave111”，如图2-21所示，图2-21选择虚拟采集芯片21、点击确定，将虚拟采集芯片放置到程序框图上，如图2-22所示；图2-22放置虚拟采集芯片22、在函数下的Express的信号使用中的选择信号，如图2-23所示图2-23点击Express的Selectsignals23、选中该元件，并改名成选择信号，如图2-24所示；图2-24选中该元件并改名24、在函数下的Express的信号分析中选择统计，在属性中选中算术平均，如图2-25所示。图2-25加入统计后的界面25、在函数下的编程的结构中选择“条件结构”，并将各个控件进行移动，使界面能够更加清晰如图2-26所示。图2-26整理后的界面26、将相应的元件移入条件结构中，如图2-27所示。图2-27移入条件结构后的界面27、创建X1值、X2值、Y1值、Y2值、K值、B值和当前测量值的局部变量，如图2-28所示。图2-28添加各局部变量后的界面28、在编程下的结构中选择公式节点，并将公式节点放入相应的位置，如图2-29所示。图2-29添加公式节点后的界面29、在公式节点的边框上右击添加输入和输出，如图2-30所示。图2-30添加输出和输入的界面30、在添加的输入和输出中输入系统所需要的文字，如图2-31所示。图2-31更改后的界面31、右击程序框图界面弹出函数选板，点击布尔控件-选择真常量，如图2-32所示；图2-32选择布尔控件——真常量32、将真常量控件置于合适位置并将其连接到虚拟采集芯片的三通道输入上，以激活虚拟采集芯片的三通道数据采集功能，如图2-33所示；图2-33真常量与第3通道相连的界面33、将各个控件进行相应的连线，并在公式节点中输入相应的公式，如图2-34所示。图2-34连线并输入公式后的界面34、得最终前面板和程序框图，如图2-35、2-36所示。图2-36最终前面板图2-37最终程序框图（一）设计整体验证１、连接电路图２、依次打开实验箱电源开关、电路板电源开关和电机飞轮开关３、在脚本界面中，点击连续运行按钮，点击开关按钮。在托盘上放置砝码，读取电压数，依次增加砝码和读取相应的电压值，直到1100g砝码加完。４、依次关闭电源。(１)、单臂电桥性能试验当所加砝码质量为500g时，从图中右下方读取电路输出的电压值为-4820.3mv，如图3-1所示。图3-1砝码质量为500g时信号采集显示表1单臂电桥电路输出电压与加负载重量值重量（g）3005007009001100电压（mv）-4996.6-4820.3-4702.0-4094.4-3103.3电压/重量关系曲线-6000-5000-4000-3000-2000-100003005007009001100重量(g)电压(mv)系列2单桥臂电压/重量关系曲线图(2)、半桥性能试验当所加砝码质量为500g时，从图中右下方读取电路输出的电压值为869.315mv，如图3-4所示。图3-4砝码质量为500g时信号采集显示表2单臂电桥电路输出电压与加负载重量值重量（g）3005007009001100电压（mv）868.8869.5870.0869.3860.0电压重量关系曲线8548568588608628648668688708723005007009001100重量(g)电压(mv)系列2半桥电压/重量