【正文】 ...................... 37 繪制硬件電路圖 .............................. 37 系統(tǒng)程序源代碼 .............................. 38 仿真與調(diào)試 .................................. 38 總結(jié)與展望 ................................... 41 致謝： ....................................... 41 參考文獻(xiàn) ..................................... 42 附錄一 ....................................... 42 引言 自古以來，人們一直將稱重技術(shù)作為一種很重要的計(jì)量方式并且流傳至今一直沿用，該技術(shù)不但應(yīng)用于科研、貿(mào)易、工農(nóng)業(yè)、交通等各個(gè)領(lǐng)域，而且緊密相連著人民的生活。與人民生活密切相關(guān)的，電子衡器包括電子秤。各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高和衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低密不可分。 50 年代中期衡器制造業(yè)漸漸加入了電子技術(shù)。 60 年代初期出現(xiàn)了機(jī)電結(jié)合式電子衡器。經(jīng)過 40 多年的不斷完善和改進(jìn)，現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型已經(jīng)早已擺脫最初的機(jī)電結(jié)合型?，F(xiàn)如今制造電子衡器的技術(shù)及其應(yīng)用得到了更快更好更迅速的發(fā)展。電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動(dòng)態(tài)稱重發(fā)展計(jì)量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展，測量特點(diǎn)從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，特別是對(duì)快速稱重和動(dòng)態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。通過分析近年來電子衡器產(chǎn)品的發(fā)展情況及國內(nèi)外市場的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、模塊化、集成化、智能化，其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高。其功能趨向是稱重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能 ，其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計(jì)量器具，是國計(jì)民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高。 第一章 緒論 選題目的 重傳感器系統(tǒng)中得到并檢測到稱重信息。梁氏 應(yīng)變傳感器的工作原理是所測量的物體受重力壓力后變形所產(chǎn)生的應(yīng)變，再將機(jī)械物體構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。梁氏應(yīng)變傳感器最常采用電阻應(yīng)變片作為傳感元件。電子稱質(zhì)量的高低由傳感器的精度直接決定。 課題相關(guān)研究現(xiàn)狀 隨著數(shù)字信息時(shí)代的到來，在工業(yè)過程檢測和稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)中，數(shù)字化電子衡器和數(shù)字稱重系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，這就要求數(shù)字式智能稱重傳感器及相關(guān)技術(shù)、配套儀表盡快發(fā)展。我國許多稱重傳感器企業(yè)已具備開發(fā)整體型和分離型智能稱重傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)，只要增加一些投入和加強(qiáng)研究試驗(yàn)，完全可研制出符合要求的數(shù)字式智能稱重傳感器。應(yīng)變式稱重傳感器的技術(shù)課題來自兩方面，一方面來自稱重傳感器本身主要是特性上和生產(chǎn)上的 問題，也可以說是技術(shù)上和工藝上的問題。特性上是準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性的問題，生產(chǎn)上是制造技術(shù)與制造 工藝的問題。一方面來自電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品的需要，這是稱重傳感器永久的課題。應(yīng)變式稱重傳感器本身的技術(shù)課題，主要是深入研究共性的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)。包括利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和分析手段，對(duì)各種結(jié)構(gòu)的彈性元件建立較為復(fù)雜的有限元模型進(jìn)行計(jì)算和力學(xué)分析，編制仿真軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，以確定優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)；在制造工藝流程中，采用計(jì)算機(jī)控制和人機(jī)一體化工序，在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下實(shí)現(xiàn)工藝流程網(wǎng)絡(luò)化和大批量生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)制程管理等。 我國稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家處于市場引導(dǎo)地位的企業(yè)相比，主要差距是：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型偏 少，品種規(guī)格不全，特種用途產(chǎn)品奇缺；準(zhǔn)確度等級(jí)較低， C3 級(jí)成功率不高；穩(wěn)定性和可靠性較差，返修率高，工作壽命較低；產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、工程化水平和企業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度較低，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的均一性差；外觀質(zhì)量雖有提高。但仍有差距；不少企業(yè)的工藝裝備和檢測儀表，尚不能滿足 OIML R60 國際建議和國家標(biāo)準(zhǔn)的需要； 創(chuàng)新產(chǎn)品少，低水平重復(fù)產(chǎn)品多，貼牌加工多、直接出口產(chǎn)品少；企業(yè)沒有核心競爭技術(shù)和產(chǎn)品，市場影響速度太慢，無法與國際市場融合，產(chǎn)生上述差距的原因很多，其中最主要的是制造工藝落后，大約落后 510 年。進(jìn)人 21 世紀(jì)以來， 我國稱重傳感器已開始批量的進(jìn)入國際市場，參與國際競爭。參與國際競爭，首先就要有國際水平的內(nèi)在和外觀質(zhì)量，具次還要有適應(yīng)國際市場需要的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和包裝模式。為此就必須有國際水平的制造技術(shù)與制造工藝，先進(jìn)的工藝裝備和檢測手段，特別要有適應(yīng)國際市場變化，及時(shí)滿足國際市場需求的現(xiàn)代管理技術(shù)和方法。我們必須要按照 20xx 年長遠(yuǎn)規(guī)劃中提出的“稱重傳感器應(yīng)向著分度數(shù)高、綜合性能好、抗干擾能力強(qiáng)、長期可靠性好的方向發(fā)展”。 傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) : 梁氏稱重傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，可用“四化”來概括，制造 技術(shù)柔性化，生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化，企業(yè)管理信息化。 設(shè)計(jì)技術(shù)虛擬化：包括彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的擬實(shí)技術(shù)和工藝設(shè)計(jì)的虛擬技術(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的擬實(shí)技術(shù)，是指面向彈性體的結(jié)構(gòu)和性能分析技術(shù)，包括動(dòng)態(tài)仿真、動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度和剛度的有限單元法計(jì)算、敏感區(qū)應(yīng)變大小與分布等，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。 工藝設(shè)的虛擬技術(shù)：是指面向彈性體生產(chǎn)過程的模擬和實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)彈性體的可加工性，加工方法和工藝的合理性，保證制造工藝的最佳化。技術(shù)設(shè)計(jì)虛擬化的核心是有限單元計(jì)算和計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真。通過仿真技術(shù)來模擬真實(shí)受載情況，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理設(shè)計(jì)和工藝的缺陷或錯(cuò)誤 ，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的合理性。 制造技術(shù)柔性化：是指在多品種、大批量生產(chǎn)的彈性體加工中，納入先進(jìn)的制造技術(shù)，柔性制造單元（ FMC)、柔性制造系統(tǒng)（ FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。他是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等與生產(chǎn)工藝的合理性。 生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化：是指在生產(chǎn)工藝全過程中，通過通訊線路和設(shè)備把各生產(chǎn)工序具有獨(dú)立操作和控制功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相互連接起來，在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下，實(shí)現(xiàn)信息的收集存儲(chǔ)和處理。與傳統(tǒng)的“作坊手藝”生產(chǎn)工藝相比，大大的減小了手工操作，最大限度的排除了人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 企業(yè)管 理信息化：是指按計(jì)算機(jī)處理的要求，依據(jù)結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法，建立企業(yè)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理全面現(xiàn)代化。包括 CAD、 CAM 系統(tǒng)，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，商務(wù)決策系統(tǒng)和經(jīng)營管理系統(tǒng)等。 第二章 梁式傳感器的蠕變特性和標(biāo)定 傳感器的工作原理 刪除 圓形的金屬膜片是應(yīng)變式壓力傳感器的敏感元件，在有力作用到其上面時(shí)候，就會(huì)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變有徑向應(yīng)變與切向應(yīng)變這兩種。在中心處，兩者同時(shí)到達(dá)最大正值；在邊緣處，徑向應(yīng)變有最大負(fù)值，切向應(yīng)變?yōu)榱?。?yīng)變式壓力傳感器就是在兩個(gè)最大正值和兩個(gè)最大負(fù)值處分別貼上四個(gè)應(yīng)變片，組成全橋電路來測量壓力。這種貼片式應(yīng)變壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，精度不高，全橋電路卻能起到溫度補(bǔ)償作用。傳感器中電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變效應(yīng)，也就是說在外力作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。電阻應(yīng)變片主要有金屬與半導(dǎo)體這兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式 、箔式、薄膜式三種。半導(dǎo)體應(yīng)變片有橫向效應(yīng)小和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體體材料制成的應(yīng)變片，主要有金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。 本文僅分析金屬電阻應(yīng)變片。 金屬絲電阻應(yīng)變片的稱重原理 金屬電阻應(yīng)變片 (簡稱應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì) )是將彈性體的應(yīng)變量轉(zhuǎn)化成電阻值的變化量的元件。其基本機(jī)構(gòu)如圖 31 所示，它由敏感柵、基底、鈣片（覆蓋層）、引線和黏結(jié)劑組成。這部分所選的材料直接影響應(yīng)變片的性能。 使用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片牢固地粘貼在被測量的彈性體上面，當(dāng)彈性體受到應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)變片的敏感柵隨之相應(yīng)變形，從而引起應(yīng)變片的電阻變化。通過彈性敏 感元件的作用，將位移、力、壓力、加速度等參數(shù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的應(yīng)變。而我們研究所采用的就是將物體的重力通過應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，在利用測量電路和儀器把物體的質(zhì)量顯示出來。 圖 金屬絲電阻應(yīng)變片基本構(gòu)造 圖 所示為電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造， 將一高電阻率的金屬絲繞成柵形，粘貼在絕緣基片上，并引出導(dǎo)線到電路中。 設(shè)該均勻的金屬絲長度為 L，橫截面為 S，電阻率為ρ，則未受外力作用的情況下，它的電阻值為 R，且 LR S?? () 每當(dāng)這個(gè)金屬絲受到力 F 作用的時(shí)候，因金屬絲長度 L、截面積 S 以及電阻率都會(huì)隨金屬絲的形變發(fā)生變化，因此引起 R 變化。由式 ()的全微分可以求得電阻值的變化為 2LLdR d dSS S S???? ? ? () 用相對(duì)變化量表示，則有 0000000)1( LdLLdLSdSdSdSLdLPdRdR ????????? () 式中， ??0LdL ，為縱向應(yīng)變； VLdLSdS ??00 ，其中 V 為泊松比，負(fù)號(hào)表示方向相反???? Ed ?0 ， ? 為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)； E 為楊氏彈性模量。 因此可得 ??? )1( ERdR ??? () 令 EG ?? ???1 ，則有 ?GRdR? () 可見，金屬絲的電阻值變化量與縱向應(yīng)變量呈比例關(guān)系。式 ()中 G 稱為材料的壓力靈敏度系數(shù)或者應(yīng)變計(jì)因子，其物理意義是材料發(fā)生單位應(yīng)變時(shí)的電阻變化量。在設(shè)計(jì)稱重傳感器時(shí)，一般考慮使重量與縱向應(yīng)變量呈常數(shù)關(guān)系?？蓪?G 的表達(dá)式為解成兩部分，一部分是 )1( ?? ，它表示材料的幾何尺寸的變化；另一部分為 1E? ，表示材料受力后電阻率變化，即材料壓力靈敏系數(shù)的兩個(gè)組成因素。對(duì)于金屬材料， 1E? 的值很小，可以忽略， G 的值一般在 之間，而對(duì)于半導(dǎo)體材料， 1E? 占主導(dǎo)作用， G 可高達(dá) 100 以上，但它受溫度的影響也隨之增大，因此電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)時(shí)一般采用金屬材料，其壓力靈敏度系數(shù)選在 之間。 傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn) 傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)如下： ① .輸出量為電壓，電流，頻率，電容，電阻，電感。即兩種：數(shù)字量和模擬量。 ②．輸出的電信號(hào)一般較微弱： 電壓 毫伏級(jí)、微伏級(jí)，電流 毫安級(jí)、納安級(jí)。 ③．輸出信號(hào)與噪聲混在一起（傳感器內(nèi)部噪音） 傳感器信噪比小、輸出信號(hào)弱。 ④．傳感器的輸出特性呈線性或者非線性。 ⑤．外界的環(huán)境變化會(huì)影響傳感器的輸出特性。 傳感器的蠕變特性 保持溫度恒定，在某一恒定機(jī)械應(yīng)變長期作用下，傳感器輸出隨時(shí)間變化的特性，稱為傳感器蠕變。在不承受載荷的條件下，傳感器隨時(shí)間變化的特性稱為零漂。零漂是不承受載荷條件下的蠕變。 蠕變分為兩種，正蠕變和負(fù)蠕變。傳感器的輸出信號(hào)隨著時(shí)間的延續(xù)而增加，最后趨于穩(wěn)定的過程，稱為傳感器的正蠕變，傳感器的輸出信號(hào)隨著時(shí)間的延續(xù)而減小，最后趨于穩(wěn)定的過程稱為傳感器的負(fù)蠕變。我們這次主要研究傳感器的正蠕變，傳感器的負(fù)蠕變和正蠕變相似。稱重傳感器蠕變的特性曲線如圖 所示，傳感器加載特性曲線是其中的曲線 L，曲線 C 是傳感器卸載特性曲線。從圖中我們可以清晰的看到，傳感器加載曲線是由加載段 L0 與蠕變段 L1 共同組成。在加載段 L0，傳感器的輸急劇的增加，迅速達(dá)到載荷真實(shí)的變化值 W0，圖中使用 S1 點(diǎn)表示，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，由于時(shí)間很短，傳感器產(chǎn)生的蠕 變比較小；進(jìn)入 L1 段之后，傳感器輸出緩慢增加并逐漸趨于不變，蠕變值ε隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化；傳感器的卸載曲線 C 上，卸載曲線是由卸載段 C0 與蠕變恢復(fù)段 C1 組成，傳感器輸出值以很高的速度迅速衰減到 了卸載曲線 S2 點(diǎn)，超過 S2 點(diǎn)后，傳感器輸出緩慢的回零，蠕變恢復(fù)值ε也是隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，并逐漸趨近零點(diǎn)保持不變。 圖 傳感器蠕變特性曲線 在 實(shí)際應(yīng)用中，我們比較常見的是多次加載、多次卸載情況，如圖 所示。 圖 多次加載多次卸載蠕變曲線 依據(jù)我國稱重傳感器法制計(jì)量器具控制管理的要求，對(duì)稱重傳感器蠕變的鑒定均有明確的規(guī)定： ①．衡量稱重傳感器的蠕變誤差，實(shí)際要考核蠕變誤差和蠕變恢復(fù)誤差這兩項(xiàng)指標(biāo)，兩者必須同等考核。 ②．稱重傳感器的蠕變誤差可以為正，也可以為負(fù)，即綜合測評(píng)時(shí)，不論是正蠕變，還是負(fù)蠕變，只以蠕變的變化量來評(píng)價(jià)，與變化的正負(fù)無關(guān)。 傳感器的標(biāo)定方法 稱重傳感器的目的是測量質(zhì)量，在整個(gè)測量通道中從質(zhì)量到重力，最后變成采樣值，這個(gè)過程中經(jīng)歷了多次量綱變化，為了使顯示結(jié)果與被測值一致，需要進(jìn)行標(biāo)度變換，對(duì)測量通道進(jìn)行反映射。尋找測量通道的映射關(guān)系是非常麻煩的，因此應(yīng)變式稱重傳感器中一般采用標(biāo)定的方法得到系數(shù)。對(duì)于應(yīng)變式稱重傳感器，有 01 WWCW X ???