传感器与测试技术课程设计

传感器与测试技术课程设计课程名称：荷重传感器及电子称专业：电子信息科学与技术学生姓名：陈径学号：13043113完成日期：2016.1.3一，设计简述随着现代化生产的发展，电子秤在许多商业活动中已成为不可缺少的计量工具。电子秤作为一个典型的自动检测系统，也可归纳为由三大环节所组成。如图1所示一次仪表通常指的是传感器，它是由敏感元件，电路，机构等组成，是利用某些特殊材料对某些物理量具有一定的敏感，然后转换成电量（电压，电流）。通常来自一次仪表的电信号比较弱小，不足以驱动显示器。为此采用二次仪表对信号进行放大；来自一次仪表的电信号往往还夹带外部的干扰信号，必须把它去除，一般二次仪表还包括滤波电路用以消除干扰。传感器的转换关系往往并不服从线性关系，所以有时还需要进行适当的线性补偿处理。故称二次仪表为测量与显示部件。二次仪表的输出信号可能是模拟量，也可能是数字量。三次仪表是采用了计算机技术，所以要求二次仪表的输出信号必须是数字信号。三次仪表将进一步对信号进行处理并形成控制量输出。作为规模较小的仪表系统，三次仪表主要是以中央处理器为核心的数字电路，组成智能化仪表。使整个测量系统的性能与功能大大提高。图2所示的以单片机为核心部件组成三次仪表，它大大丰富了电子秤功能。各种各样形式的电子秤的仪表结构都是大同小异的，都必须利用荷重传感器来采集重量信号并变换成相应大小的电信号。电子秤的二次仪表把来自荷重传感器的微弱电压信号进行放大，滤波。这不仅为了提高灵敏度，更重要的是与下一环节的电路进行正确匹配。目前大多数电子秤是数字显示方式，所以模拟信号还必须作模数转换。有了A/D转换器的数码信号，就可以进行自动标度变换、自动超载报警、自动数字显示。还可以增加人机对话键盘、与外部设备的数据交换与通信、输出模拟或数字控制信号等功能。由此大大提高了性能。二，设计过程1、荷重传感器电子称传感器的选用荷重传感器的形式有电阻式、电容式、压磁式等多种形式。电阻式传感器又分为金属丝（箔）式、半导体式，它们各有优缺点及使用范围。大多数电子秤的使用场合是极为普通的室内外的大气层环境，所谓的温度条件是-10C～55C。选用金属箔式应变片传感器作为电子秤的荷重传感器是最广泛的应用。因为金属箔式应变片在这个温度范围内具有精度高、稳定性好、线性、转换电路简单，成本较低等优点。相对半导体应变片尽管也能适用并且也有不少优点，如灵敏度高，体积小，响应速度快等。但是对温度的敏感，以前一直是它的缺陷，虽然目前已经通过激光修补工艺解决了温度补偿问题，可是生产成本高成为广泛使用的阻碍。电容式荷重传感器也是一种可选对象，但是需要稳定的交流电源作为工作电源，技术要求高，电路复杂，适用于安装空间小，响应速度快的场合。压磁式荷重传感器特别适用于环境温度较高的场合，但是精度不高，仅适用于大吨位秤重。选用荷重传感器的基本要求是：灵敏度高，函数关系呈线性，重复性好，长期稳定。应变片传感器在“传感器与测试技术”课程的学习中已经了解了应变效应。利用应变效应可以组成荷重传感器的论述并不多。如图3所示，为三种常见的应变片荷重传感器。图3金属应变片荷重传感器图（a）为圆柱式荷重传感器，弹性元件为合金钢材料。图（b）为梁式荷重传感器，弹性元件为弹簧钢材料。图（c）为S型剪切式荷重传感器弹性元件为铝合金材料。三种结构形式的荷重传感器均为压缩式受力，根据测重范围的需要，采用不同的弹性模量的材料。通常荷重传感器的测量范围与分辨率是互相制约的，测量范围越大，则分辨率越差。反之，测量范围越小，则分辨率越好。测量桥路一个成品的金属箔式应变片传感器，通常在受应变的弹性元件表面按对称位置粘贴四个同质应变片，以便构成全臂电桥。如图4所示，管式弹性体的贴片位置和测量电桥。全臂电桥的灵敏度最高，线性好，温度补偿性能也比较好。测量电桥的输出：0ERREy（2-1）应变与荷重力的关系：rhEFl2（2-2）其中，F为荷重力，l为管状体受力长度，r为管状体半径，h为管壁厚度，E为杨氏模量，这是与弹性体材质有关。为了与不同称重范围相匹配，约定不同称重范围的最大应变量m保持一致。同一规格的荷重传感器当然选用相同的弹性体材质，只是通过管状弹性体管壁厚度h来匹配不同称重范围。另外，如（2-1）式，欲提高输出信号，可以提高工作电压E0。值得注意地是，过度提高工作电压E0，会导致应变片电阻通过的电流过大而自身发热引起温度带来的误差。一般标称的应变片电阻为120，约定的工作电压E0为6V或12V。测量电桥的最大输出电压为6mV或12mV。根据不同的使用场合，电子秤的秤台上可以布置一个荷重传感器，也可以布置几个荷重传感器。低重位的小型电子秤一般只要布置一个荷重传感器（如商店15Kg电子秤），而大吨位平台式电子秤考虑到受力强度和平衡的关系，通常需要由4个荷重传感器来托起称重平台（如汽车地磅秤）。参见图5所示。图5荷重传感器的布置2、荷重传感器电子称调理电路的设计调理电路包括信号放大、信号滤波、温度补偿、线性化处理、标度变换、A/D和D/A变换等。调理电路指的是完成来自传感器的信号幅值、标度、线性化、电量性质等的调整来满足系统各环节的要求。除了信号幅值和电量性质变换之外，其他均由三次仪表中的单片机来完成。电子秤系统所需的调理电路主要是放大器、滤波器和A/D转换器。(一）放大器由于各种传感器的转换电信号比较微弱,需要将信号滤波,放大到A/D转换器可以接受的范围.目前模拟放大器均采用运算放大器。不同的使用场合,运算放大器选用的要求也不同。主要可以分成：通用型,高精度型,高输入阻抗，高速型等。运算放大器的技术指标：开环增益，差模输入输出阻抗，输入失调电压和电流的温度系数，共模抑制比，上升率，带宽。习惯选择：〖1〗若信号内阻较大时，应采用高输入阻抗的放大器，否则将会产生信号传递损失。大多数场合都要求高输入阻抗的放大器。〖2〗若信号电压很小时，就必须考虑低噪声，低温漂，高精度的放大器。1、通用放大器：μA741作为要求一般的场合，使用该运算放大器可以胜任。它具有失调量小，温漂小，功耗低，输入阻抗高共模抑制比CMRR高等优点。电路引脚参见图6。图6μA741通用运算放大器LMX24（X=1，2，3）单片四运放集成电路。特点：可以单电源双电源兼用（单电源：3V～30V，双电源±1.5V～±15V）,不需要外接补偿电路,且功耗低,四运放性能较一致等优点。根据使用体会,应用方便,价格低,但精度不够理想。比较合适做比较器,电平转换器。电路引脚参见图7。图7单片四运放LMX3242.高精度集成运放:作为传感器信号的放大,,尤其信号低到几十微伏的信号μA741,LMX24肯定不能使用。则要求选用超低失调,超低漂移,超低噪声的运算放大器。OP07接线图与μA741大致一样。主要技术指标:输入失调电压85mV;失调电流0.8nA,失调电压漂移0.2mV，输入偏置电流2nA;差模输入电阻31mΩ;输出电阻60Ω，共模抑制比CMRR:110dB.ICL7650这是属于斩波稳零型集成运算放大器，利用CMOS工艺，内设200HZ时钟源，在时钟节拍下分时工作。第一节拍采集输入失调并记忆在补偿电容内。第二节拍采集输入信号并与失调电压相抵消一部分，再进行放大。这样可做到超低失调和超低漂移。各方面的技术指标要比OP07更好。它在测量放大,生物医学工程检测,微弱信号放大中应用非常广泛。电路引脚参见图8。图8ICL7650斩波稳零型运算放大器电路介绍：CA，CB为记忆电容,将采集输入失调记忆在该电容内,所以补偿精度取决于电容的品质(高品质,小漏电)。为了简化电路,通常采用内部时钟,CA，CB的容量取0.1mF.采用外部时钟时,频率越高,电容越小。为了防止输出电压超过一定幅度,使得放大器阻塞。采用引脚9控制。钳位要求：R3+R2//R1=100～1000KΩ输出要求：负载电阻大于10KΩ，由于时钟节拍关系，输出电压会出现200HZ波纹。可以采用低通滤波电路加以平滑。输入回路：)32()(0,012112121211211UsRRRUsKoRRRRRKoUoUoRRRKoUoUsKoViUoUoRRRViUs3.典型的测量放大器图9测量放大器典型电路参见图9,采用三运放组成一个测量放大器，它具有高输入阻抗，高增益，低噪声和高共模抑制比,适用于电桥放大或仪表放大器。电路分析：采用线性叠加原理：输出电压：代入V1，V2：上式表明：输入阻抗大，只要A1，A2输入阻抗与运放增益对称，有利于提高共模抑制比，大大降低温度漂移。（V2-V1）可以看作电桥输出的电位差。AD521，AD522等是一种将三个运算放大器集成于一块芯片的测量放大器，有利于提高性能。（二）滤波器大多数传感器的转换电信号是微弱的，经过仪表系统的放大，处理，传输，每个环节都有可能引入电磁干扰，若干扰信号过大，就会导致测量失败。采用滤波器方法可以有效去除干扰信号，它已经被广泛使用了。滤波器可分为：低通、高通、带通、带阻滤波器。滤波器又可分为有源与无源滤波器。高质量的滤波电路，信号经过该滤波器能够不衰减甚至增大，而干扰信号却被大幅度衰减。滤波器是把有用信号与无用信号按频率区分,任何一种滤波器都会有截止频率，频率特性可以用Q值衡量，Q值越高，灵敏度越高，频率信号的选择性越好。有了高质量的运算放大器组成的滤波器，其尺寸大大减小，性能得到明显提高。但是在普通的工作环境里一般仍采用无源滤波器，尤其是仅设置低通滤波时。)52()()42()1)((01020201002010UURRURRURRUURRRfRRURRUffPffff)62())(1(12210VVRPRRRRUfff一阶低通滤波器实例：参见图11,图10一阶无源、有源低通滤波器（A）一阶无源低通滤波器传递函数：（B）一阶有源低通滤波器传递函数：（RC环节在正输入端）（C）一阶有源低通滤波器传递函数：（RC环节在负输入端）)112()1()102()1(221202112101VRRVRRUVRRVRRUPfPfPfPf)82(1111)()()(0SRCRSCSCSVSVsHi)72(11)1()()()(10SRCRRSVSVsHfi)92(11)()()(10SRCRRSVSVsHfi图11一阶有源低通滤波器的频率特性(三)A/D转换器常用的A/D转换器有两种形式：逐次逼近A/D转换器；双积分A/D转换器。另外还有一种商业用途的是调宽式A/D转换器。逐次逼近A/D转换器特点：转换速度快，准确度高，成本低。目前常用的转换芯片有8位的0809/0808，0832，12位的AD574。逐次逼近A/D转换器的转换速度取决于转换位数，而与输入电压大小无关。1.逐次逼近A/D转换器的基本原理：如图12所示,类似天平秤测重一样，在未知重物的质量之前，首先把量程之半的砝码与之比较。产生两种可能：【1】砝码偏轻：则再加上一个减半的砝码继续比较；【2】砝码偏重：则取下盘上的砝码，再换一个减半的砝码继续比较。重复上述过程，直到天平秤两端平衡为止。左盘上的砝码总量且为被秤重物的重量。这种“二进制搜索”技术随着位数增加，可以达到最佳近似测量结果。采用电子线路构成这样的“天平秤的秤重流程”来实现A/D转换。图12二进制搜索法的天平秤测重所谓逐次逼近：每一次的砝码电压减小，逐步接近实际被测量。基本组成：D/A转换器、比较器、控制逻辑、时钟等(见图13)。工作过程:启动脉冲发生后，控制逻辑先发出最高位Dn-1=1送逐次逼近寄存器暂存并供D/A转换成相应的模拟电压Vo。这个电压送比较器与输入电压进行比较。比较结果产生两种结果：【1】Vx=Vo：Dn-1=1保留此位，再送Dn-2=1进行D/A比较；【2】VxVo：Dn-1=0,再送Dn-2=1进行D/A比较；保留或改