基于应变式传感器的电子称设计

基于应变式传感器的电子称设计

一、概述

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

本次课程设计的目的，是使学生掌握传感器的组成和基本原理、基本概念和分析方法、并具备构造、调试和工程设计传感器的能力。了解protel99软件的使用方法，并利用该软件绘制原理图和刻画电路板。了解使用面包板进行电路测试的方法。

二、功能需求分析

（1） 量程0～1Kg，应变式传感器的结构设计；

（2） 电路设计，包括应变式传感器的桥式电路、电子称显示模块； （3） 电子称的各种精度指标进行测试（非线性误差、重复性、滞后、灵敏度、抗侧向能力大小、温变对灵敏度的影响等指标）。

三、系统设计

其电路构成主要有测量电路，差动放大电路，A/D转换，显示电路。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。而差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。

原理流程图如下：

全桥测量电路 信号放大电 路 AD信号转换 电路 数显电路 1、测量电路

电阻应变式传感器简称电阻应变计。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数

本次课程设计采用的是全桥测量电路，电阻应变式传感器就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 , 再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。在这里，我们用电阻应变式传感器作为测量电路的核心。并应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围。

全桥电路原理如图：

图1 全桥电路原理图

Ug?E(R2??RR4??R?)

R1??R?R2??RR3??R?R4??R可设定R1=R2=R3=R4，此时：

?R R这就是电阻桥式电路的输出，也就是由压力转换而来的电信号,计算验证，

Ug?E全桥电路的灵敏度是单臂电桥的四倍。

电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

它由箔式电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，测量电桥的电源由稳

压电源E供给。物体的重量不同，电桥不平衡程度不同，电表显示的数值也不同。

下面是测量电路图：

图2 全桥测量电路

2．放大电路：

该电路需要对输出的正负端均加以放大，要求用一个放大电路，即差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。这次课程设计的选用的就是典型的差动放大器。

差动放大器的原理图如下：

图3 差分放大电路

其输出与输入之间满足以下关系：

I=

Vi1?Vi2RG

Vo=(R1+RG+R1)I =(1+

2R1RG)Vi，

即差分放大器的放大倍数为1+

则

Uo2R=1+1UIRG

2R1倍,显然调节R1与RG的大小比例可以使放RG大倍数发生变化，结合实际电路，电桥的输出电压为0～10 mV之间，而ICL7107的输入信号的要求约为200mV，因此，可设置电桥的放大倍数为20～40倍，现选取放大倍数为30倍，则对应的R1、RG 比例应为R1=15RG。

在该电路中，用到了两个放大器，因此可选用型号为LM358的芯片，其内部结构图为：

图4 LM358内部结构图

其原理图如下：

图5 放大电路

3、AD转换：