傳感器課程設計

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1、 哈爾濱遠東理工學院 傳感器課程設計 小型稱重系統(tǒng)設計 姓 名： ?！　I(yè)： 電子信息工程 學 號： 指導教師： 機器人學院 二0一七年六月二十五日 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 選題背景 1 1.2 目的和意義 1 第2章 設計方案及其論述 2 2.1 模型建立及電路原理 2 2.2 電路圖 4 第3章 數據圖表及分析 6 3.1 數據圖表 6 3.2 數據分析

2、 7 結 論 8 第1章 緒 論 1.1 選題背景 稱重技術自古以來就被人們所重視，作為一種計量手段，廣泛應用于工農業(yè)、科研、交通、內外貿易等各個領域，與人民的生活緊密相連。電子稱重器是電子稱重器中的一種，稱重器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設、科學研究、內外貿易不可缺少的計量設備，稱重器產品技術水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經濟效益的提高。因此，稱重技術的研究和稱重器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。工業(yè)生產中，稱重傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域，可以毫不夸張地

3、說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。本實驗是利用金屬箔式應變片設計一個小型稱重裝置。硬件部分是在Multisim中仿真設計，使用電壓變化進行模擬測量物體重量從而達到實驗效果。 1.2 目的和意義 1）掌握金屬箔式應變片的應變效應，單臂、全橋電橋工作原理和性能。 2）學會建立仿真模型。 3）比較單臂雙臂與全橋電橋的不同性能、了解其特點。 4）學會使用全橋電路。 5）了解物體重量與電壓的關系效應。 6）了解電路原理。 第2章 設計方案及其論述 2.1 模型建立及電路原理 1.傳感器模型的

4、建立 電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即在導體產生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。應變片是由金屬導體或半導體制成的電阻體，其阻值將隨著壓力所產生的變化而變化。對于金屬導體，電阻變化率的表達式為： 通常把單位應變所引起電阻相對變化稱作電阻絲的靈敏系數，對于金屬導體，其表達式為： 所以： 在外力作用下,應變片產生變化,同時應變片電阻也發(fā)生相應變化。當測得阻值變化為△R時，可得到應變值ε，根據應力與應變關系，得到應力值為 式中： σ-應力,ε-應變（為軸向應變），E-材料的彈性模量。 又重力G與應力σ的關系為：

5、 式中： G-重力,S-應變片截面積 根據以上各式可得到： 由此得出應變片電阻與重物質量的關系，即 根據應變片常用的材料（如康銅）取 所以在Multisim中可用建立以下模型來代替應變片進行仿真，模型如圖2-1 圖2-1 2.橋路部分電路原理 電阻應變計把機械應變轉換成ΔR/R后，必須采用轉換電路通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉換。單臂電橋,如圖2-2 圖2-2 當電橋平衡時,相對的兩臂電阻乘積相等,即： 設橋臂比n=R2/R1 由于R1<

6、 從上式分析發(fā)現(xiàn)： (1)橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓。 (2)電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數，必須恰當的選擇n的值，保證電橋具有較高的靈敏度。 2.2 電路圖 1單臂電橋 圖2-3 2雙臂電橋 圖2-4 3四臂電橋 圖2-5 第3章 數據圖表及分析 3.1 數據圖表 設置電路的輸入端為15V的直流電源，固定電阻為348Ω，電橋端電壓分別為0.08V——0.17V的十組數據進行對比分析。如表3-1 電壓(V) 單臂（uV） 雙臂(uV) 四臂(uV) 0.08 4.151 8.302 16.603 0.09

7、4.67 9.339 18.679 0.1 5.189 10.377 20.754 0.11 5.707 11.415 22.83 0.12 6.226 12.453 24.905 0.13 6.745 13.49 26.981 0.14 7.264 14.528 29.096 0.15 7.783 15.566 31.131 0.16 8.302 16.603 33.207 0.17 8.821 17.641 35.282 表3-1 分析數據發(fā)現(xiàn)電壓隨著彼數增加而翻倍，如表3-2，表3-3

8、 3.2 數據分析 柱狀圖 表3-2 折線圖 表3-3 結 論 控制系統(tǒng)的開發(fā)和設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，必須嚴格按照系統(tǒng)分析，系統(tǒng)設計，系統(tǒng)實施，系統(tǒng)運行和調試過程繼續(xù)進行。從整個小型電子稱重器的設計過程中可看出，高速，高靈敏度，體積小，重量輕，攜帶方便，顯示直觀、測量精度高等特點。 在試驗中使用三種電橋：單臂工作：電橋中只有一個臂接入被測量，其它三個臂采用固定電阻；雙臂工作：如果電橋兩個臂接入被測量，另兩個為固定電阻就稱為雙臂工作電橋，又稱為半橋形式；全橋方式：如果四個橋臂都接入被測量則稱為全橋形式。當橋臂應變片的電阻發(fā)生變

9、化時，電橋的輸出電壓也隨著變化。當<<時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系。還可以看出在橋臂電阻產生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對稱電橋的輸出電壓要比電源對稱電橋的輸出電壓大，所以它們的靈敏度要高。 試驗中使用的是金屬箔式應變片，金屬箔的一面涂膠形成膠底，然后在箔面上用照相腐蝕成形法制成的，所以幾何形狀和尺寸非常精密，箔式片有下列優(yōu)點：1隨著光刻技術的發(fā)展，箔式片能保證尺寸準確、線條均勻，故靈敏系數分散性小。尤其突出的是能制成柵長很小或敏感柵圖案特殊的應變片2箔式片柵絲截面為矩形，故柵絲周表面積大，因而散熱性好。這樣，在相同截面積下，允許通過的電流較絲繞式片的大，使測量有輸出較大信號的可

10、能。另外，表面積大使附著力增加，有利于變形傳遞，因而增加了測量的準確性3箔式片敏感柵橫向部分的線條寬度比縱向部分的大得多，因而單位長度的電阻也小很多，使箔式片橫向效應很小。 總之，知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。通過這次課程設計，我們即學會了使用Multisim軟件，也掌握了一些有用的知識，這對我們以后的學習和生活非常的有幫助，也使得我們對自己的總體知識水平有了一個了解。懂得了知識的重要性。使我學會了如何運用所學的知識收集、歸納相關資料解決具體問題的方法，加強了我的動手能力、分析和解決問題的能力、以及增強綜合運用知識的能力。