基于电阻应变片的称重传感器设计

传感器课程设计1第页本科生课程设计成绩评定表姓名性别专业、班级课程设计题目：基于电阻应变片的称重传感器设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：年月日传感器课程设计2第页课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:基于电阻应变片的称重传感器设计初始条件：要求完成的主要任务:时间安排：序号内容所用时间11天22天31天44天51天61天合计10天指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日传感器课程设计I第页目录1.绪论......................................................................................11.1概述.......................................................................................................11.2设计任务分析......................................................................................12.方案选择与分析....................................................................22.1方案选择...............................................................................................22.1.1总体方案设计................................................................................22.1.2硬件的方案设计与论证..................................................................22.2弹性元件的设计..................................................................................42.2.1弹性元件选择..................................................................................42.2.2双孔梁受力分析及尺寸设计..........................................................62.3电阻应变片的设计..............................................................................72.3.1应变片的结构选择..........................................................................72.3.2应变片的材料选择..........................................................................72.4原理简述...............................................................................................93.检测电路设计......................................................................113.1电桥电路.............................................................................................113.2电源电路的设计................................................................................123.3前级放大电路....................................................................................123.4检波滤波电路....................................................................................133.5显示电路设计....................................................................................144.传感器的封装与装配...........................................................165.误差源分析及处理...............................................................16传感器课程设计II第页6.传感器的标定......................................................................177.体会心得.............................................................................17参考文献................................................................................18附录1：元器件清单...............................................................................19附录2：参考程序...................................................................................20附录3：零件图.......................................................................................23附录4：装配图.......................................................................................24附录5：电路图.......................................................................................24附录5：电路图.......................................................................................25传感器课程设计1第页1.绪论1.1概述传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门综合技术学科，是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。同时我们也看到，传感器在日常生活中的运用越来越广泛，可以说它已成为了测试测量不可或缺的环节。因此，学习、研究并在实践中不断运用传感器技术是具有重大意义的。随着计量技术和电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤、台秤、磅秤等称量装置逐步被淘汰，电子称量装置电子秤、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。而且随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，本文设计了一种电子秤，论述了仪器的工作原理，介绍了仪器的电路设计与软件流程。本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤俱备了功能多、体积小、操作简单、性能价格比高、功耗低、系统设计简单。1.2设计任务分析1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成电桥；2.选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析，并根据测试极限范围进行强度校核；3.完成传感器的外观与装配设计；4.完成应变电桥输出信号的后续电路的设计和相关电路参数计算，绘制电路原理图（4号图纸）；5.按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000字左右）；6.按机械制图标准绘制弹性元件图（4号图纸）,机械装配图各一张（≥3号图纸）；根据任务要求，本次设计的传感器测量压力范围为0~490N（质量范围是0~50kg），选用双孔弯曲式弹性元件。传感器课程设计2第页2.方案选择与分析2.1方案选择2.1.1总体方案设计方案一：数码管显示，结构简图如下：图2-1此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。由此设计出的电子秤系统，硬件部分简单，接口电路易于实现，并且在编程时大大减少程序量，在电路结构上只有简单的输出输入关系方案二：前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符显示功能的LCD显示器。结构简图如下：图2-2综上比较，我采用方案一。2.1.2硬件的方案设计与论证关于硬件部分一些模块是固定的，所以在此对放大部分以及AD转换部分进行方案选择。（1）放大器部分方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于信号转换器需信号采集信号放大51单片机信号处理LCD显示重量数据采集数码管显示重量51单片机数据处理AD转换传感器课程设计3第页要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方案二：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器，如下图所示：图2-3：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器电阻R1、R2和电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声，C1、C2为普通小电容，可以滤除高频干扰，C3、C4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。方案三：采用专用仪表放大器，如：AD620，INA128等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。综上所述，我选择方案三。（2）A/D转换部分A/D转换器的种类很多，就位数来说，可以分为8位、10位、12位和16位等。位数越高其分辨率就越高，价格也就越贵。A/D转换器型号很多，而其转换时间和转换误差也各不相同。传感器课程设计4第页(1)逐渐逼近式A/D转换器：它是一种速度快、精度较高、成本较低的直接式转换器，其转换时间在几微秒到几百微秒之间。(2)双积分A/D转换器：它是一种间接式的A/D转换器，优点是抗干扰能力强，精度比较高，缺点是数度很慢，适用于对转换数度要求不高的系统。(3)并行式A/D转换器：它又被称为flash（快速）型，它的转换数度很高，但她采用了很多个比较器，而n位的转换就需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也很贵，只适用于视频A/D转换器等数度特别高的领域。鉴于上面三种方案，在价格、转换速度等多种标准考量下，在本设计选用的是逐渐逼近式A/