【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 總體電路圖 7107 A1 A2 ∞ ∞ 稱(chēng)重傳感器 放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換 數(shù)碼管顯示電路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 RP1 E 8 設(shè)計(jì)內(nèi)容及總體方案 、 要求 ： 電阻應(yīng)變式傳感器 秤重范圍為 2kg 電路由測(cè)量電橋，差動(dòng)放大電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路，顯示電路組成 工作原理，附系統(tǒng)原理圖 首先利用由電阻應(yīng)變式傳感器組成的測(cè)量電路測(cè)出物質(zhì)的重量信號(hào)，以模擬信號(hào)的方式傳送到 A/D 轉(zhuǎn)換器。 其次，由 A/D 轉(zhuǎn)換電路把由差動(dòng)放大器電路把傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，然后送 A/D 轉(zhuǎn)換電路中。再由 A/D 轉(zhuǎn)換電路把接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送到顯示電路，最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù)。 具體方案如下： 圖 21 電子秤的原理框圖 稱(chēng)重傳感器輸出信號(hào) 放大 顯示電路 （ LED） A/D 轉(zhuǎn)換 電阻應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào) 差動(dòng)放大電路放大信號(hào) 顯示電路 （ LED） A/D 轉(zhuǎn)換電路（雙積分） CPU 顯示電路 （ LED） 9 、 單元電路的具體設(shè)計(jì) 、 測(cè)量電路 ： 電阻應(yīng)變式傳感器就是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換 阻值的變化 , 再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路而最后顯示或記錄被測(cè)量值的變化。 在這里，我們用電阻應(yīng)變式傳感器作為測(cè)量電路的核心。并應(yīng)根據(jù)測(cè)量對(duì)象的要求，恰當(dāng)?shù)剡x擇精度和范圍度。 、 電阻應(yīng)變式傳感器的組成以及原理 ： 電阻應(yīng)變式傳感器簡(jiǎn)稱(chēng)電阻應(yīng)變計(jì)。當(dāng)將電阻應(yīng)變計(jì)用特殊膠劑粘在被測(cè)構(gòu)件的表面上時(shí)，則敏感元件將隨構(gòu)件一起變形，其電阻值也隨之變化，而電阻的變化與構(gòu)件的變形保持一定的線(xiàn)性關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)相應(yīng)的二次儀表系統(tǒng) 即可測(cè)得構(gòu)件的變形。通過(guò)應(yīng)變計(jì)在構(gòu)件上的不同粘貼方式及電路的不同聯(lián)接，即 可測(cè)得重力、變形、扭矩等機(jī)械參數(shù) 、 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路 ： 電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為 — 歐姆。所以測(cè)量電路應(yīng)當(dāng)能精確測(cè)量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測(cè)量電路。 橋式測(cè)量電路有四個(gè)電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線(xiàn)接入工作電壓 E，另一個(gè)對(duì)角線(xiàn)為輸出電壓 Uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，可利用靈 敏檢流計(jì)來(lái)測(cè)量，所以電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化測(cè)量電橋如圖： R5R6R1R3R2R4R p 1E 它由箔式電阻應(yīng)變片電阻 R R R R4組成測(cè)量電橋，測(cè)量電橋的電源由穩(wěn)壓電源 E 供給。物體的重量不同，電橋不平衡程度不同，指針式電表指示的數(shù)值也不同。滑動(dòng)式線(xiàn)性可變電阻器 RP1作為物體重量彈性應(yīng)變的傳感器，組成 10 零調(diào)整電路，當(dāng)載荷為 0 時(shí)，調(diào)節(jié) RP1使數(shù)碼顯示屏顯示零。 、 差動(dòng)放大電路 ： 原理： 一個(gè)放大電路，即差動(dòng)放大電路，主要的元件就是差動(dòng)放大器。 在許多需要 用 A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機(jī)系 統(tǒng)中， 多數(shù) 情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過(guò)一個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿(mǎn)足A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平 ?要求， 在此 情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表 儀器放大器 的選型很多， 典型的差動(dòng)放大器就是一種用途非常廣泛的儀表放大器 。它只需 高精度 LM358 和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、儀器儀表、電氣測(cè)量 等 數(shù)字采集的系統(tǒng)中。 本設(shè)計(jì)中差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)圖如下： 推導(dǎo)過(guò)程： I=721RVV ii ? Vo=(R8+R7+R8)I =(1+782RR )Vi， 則 Avf=1+782RR 放大電路與 ICL7107 的連線(xiàn)示意圖如下 A1 ∞ A2 ∞ R8 R8 R7 Vo Vi Vi1 Vi2 I 11 、 A/D 轉(zhuǎn)換 ： A/D 轉(zhuǎn)換的作用是進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。在選擇 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，先要確定 A/D 轉(zhuǎn)換的位數(shù)，該設(shè)計(jì)運(yùn)用的是雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7107， A/D 轉(zhuǎn)換誤的位數(shù)確定與整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)所需測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)，系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)很多，包括傳感 器的變換精度，信號(hào)預(yù)處理電路精度 A/D 轉(zhuǎn)換器以及輸出電路等。 、 ICL7107雙積分型的 A／ D轉(zhuǎn)換器 的 特點(diǎn) 7 段譯碼信號(hào) 直接 驅(qū)動(dòng) LED c. 位十進(jìn)制 A/D 轉(zhuǎn)換器 、 雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器 結(jié)構(gòu) 常見(jiàn) A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方式有積分式和非積分式兩類(lèi)（如逐次逼近比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器），雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器的基本組成 電路結(jié)構(gòu)組成 工作過(guò)程 1． 積分器 2． 檢零比較器 3． 時(shí)鐘脈沖控制門(mén) 4． 計(jì)數(shù)器和定時(shí)器 1．采樣過(guò)程： T1=2nTc 對(duì)被測(cè)電壓定時(shí)間積分，與 Vi 平均值相關(guān) 2．積分比較階段 對(duì)基準(zhǔn)電壓回積分（定值積分） 3．休止階段 電容放電，積分器歸零 12 7107 在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、而 7107 直接驅(qū)動(dòng) LED（發(fā)光二極管）。電路的模擬部分通過(guò)自動(dòng)調(diào)零、采樣和基準(zhǔn)積分三個(gè)階段完成一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率為 3～ 4 次 /秒。 、 雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器電路 結(jié)構(gòu) 常見(jiàn) A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方式有積分式和非積分式兩類(lèi)（如逐次逼近比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器），雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器的基本組成如圖，它由積分器、比較器、邏輯控制電路、閘門(mén)電路、計(jì)數(shù)器及時(shí)鐘脈沖源等電路所組成。 13 、 電壓表部分電路 應(yīng)用 ： 用 7107 組成的 3 位半直流數(shù)字電壓表 主要硬件工作原理 及選用 電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳 感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。 由此可見(jiàn)，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分 所以在設(shè)計(jì)完電路要對(duì)各種原件的特性進(jìn)行了解和論證下面就RP3 14 對(duì)電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路逐一介紹： 、 電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù) K。我們來(lái)介紹一下它的意義。 設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為 L，橫截面是半徑為 r 的圓形，其面積記作 S，其電阻率記作 ρ，這種材料的泊松系數(shù)是 μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為 R： R = ρL/S（ Ω） （ 2—1） 當(dāng)他的兩端受 F 力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng) ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 Δr。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作 Δρ。 對(duì)式（ 21）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。我們有： ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （ 2—2） 用式（ 21）去除式（ 22）得到 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （ 2—3） 另外，我們知道導(dǎo)線(xiàn)的橫截面積 S = πr2，則 Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r （ 2—4） 從材料力學(xué)我們知道 Δr/r = μΔL/L （ 2—5） 其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。 μ 是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（ 2—4）（ 2—5）代入（ 23），有 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（ 1 + 2μ（ Δρ/ρ） /（ ΔL/L）） *ΔL/L = K *ΔL/L （ 26） 其中 K = 1 + 2μ +（ Δρ/ρ） /（ ΔL/L） （２ ７） 式（ 26））說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。 需要說(shuō)明的是：靈敏度系數(shù) K 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的 15 一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)，不同的材料的 K 值一般在 —之間；其 次 K 值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。 在材料力學(xué)中 ΔL/L 稱(chēng)作為應(yīng)變，記作 ε，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，很不方便 常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作 με。這樣，式（２ ６）常寫(xiě)作： ΔR/R = Kε (2—8) 、 彈性體 彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱(chēng)重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 以托利多公司的 SB 系列稱(chēng) 重傳感器的彈性體為例，來(lái)介紹一下其中的應(yīng)力分布。 設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 ε = （ 3Q（ 1+μ） /2Eb） *（ B（ H2h2） +bh2） / （ B（ H3h3） +bh3） （ 29） 其中： Q截面上的剪力； E揚(yáng)氏模量： μ—泊松系數(shù)； B、 b、 H、 h—為梁的幾何 尺寸。 需要說(shuō)明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是 ―局部 ‖情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是 ―平均 ‖狀態(tài)。 、 彈性體的選用 ： 電阻應(yīng)變片能把感受到的力轉(zhuǎn)換為電阻變化，再通過(guò)測(cè)量電路把電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。電阻應(yīng)變式傳感器具有測(cè)量范圍廣、精度高、