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Figures based on resistance strain gauge dynamometer design
Paul Chang Bin Health Core Exhibition spend Junjie
Huanghuai College
Abstract: This paper describes the resistive strain gauge sensors based on the design of electronic measuring dynamometer and implementation. The system consists of 51 single-chip control, through the LCD screen automatically displays the measured size of grip. The circuits are measuring circuit, differential amplifier, A / D conversion, display circuit. Measurement circuit using resistive strain the power of the device to an object the size of the signal into corresponding electrical signals, electrical signals through the differential amplifier circuit will be amplified to the AD chip to identify within which can convert electrical signals into corresponding digital signals, finally measured in the liquid crystal display on the grip.
Keywords: strain sensor, a differential amplifier, 1602
一、设计任务与要求
1.1设计任务
1.设计一个数字显示握力计,可以显示出当前的力量值。
2.用数字显示被测力量。
1.2设计思路
数字显示握力计的测量过程是把被测物体的力量通过电阻式应变片传感器转换成电压信号。由于这一信号通常都很小,需要进行放大,放大后的模拟信号经由模/数芯片转换成数字量,再通过显示器显示出力量大小。
1.3工作原理
当被测物体(主要是手臂力量)使用数字显示握力计检测时,其力量使握力计弹簧变形便通过电阻应变片传感器,传感器随之产生相应的电效应,将物体的力量转换成电信号(电压或电流)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数(A/D)转换器进行转换,单片机对转换后的数字信号进行必要的判断、分析,再送到显示电路。
二、方案设计与论证
2.1整体方案
通过电阻应变片产生电压信号,经放大电路把信号放大后输入A/D转换芯片TCL2543进行A/D转换,由于此芯片可直接用于数字显示,故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。此方案的优点是外部电路非常简单,能实现较高的精度。
三、电子元器件的选取
3.1传感器的选择
电阻应变式传感器的优点是精度高,测量范围广,寿命长,结构简单,频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
3.2运算放大器的选择
市场上有已成形的集成运算放大器,如AD620仪用放大器能直接用于该设计的放大部分,且集成芯片相对于自己用单运放搭接的运放电路具有更稳定的性能,误差更小;但集成运算放大器价格相对较高,而且自己搭接的运放电路其误差范围已经基本满足本设计的要求,所以我们选取OP07单运放搭接差分运算放大器的方式,同时一定程度上锻炼了模拟电路的实践能力。
3.3模数转换(A/D)芯片的选取
根据本课题的要求,要满足最低档位的分辨率,必须选取位数较高的A/D芯片,串行的TLC2543芯片驱动程序相对并行A/D复杂一点,但根据市场零售价格比较,该芯片是满足要求的最便宜的芯片,本着开发项目尽量缩减成本的原则我们最终选取了该芯片。
3.4显示器的选择
选取SMC1602a LCM点阵型液晶对放大以后的数据进行显示。
四、各硬件模块的具体实现方案
系统硬件包括电源模块、数据采集及放大模块、A/D转换模块、自动换档模块、数码管显示模块。
4.1电源模块
由于系统硬件有OP07,而运放电路要求正负9V电源,故此整个放大电路需要的电源可以直接用可充电的锂电池。
4.2传感器模块
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度。
4.3、差动放大电路
数字显示握力计使用电阻应变全桥式传感器,其核心是由电阻应变计(应变片)构成的电桥电路,这类传感器具有成本低、精度高且温度稳定性好的特点。但其检测原理决定该类传感器输出电压低,要经过差分放大电路放大数百倍才能用于A/D转换。一般说来,传感器输出的电压值都非常小,基本上都是毫伏级甚至微伏级,需要外部放大电路来获得足够的增益。
仪表仪器放大器的选型很多,我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器,就是典型的差动放大器。它只需高精度OP07和几只电阻器,即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。
OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压,所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
4.4、A/D转换
在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、数值都连续变化的物理量,这种连续变化的物理量称之为模拟量,与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量要输出显示,首先要经过模拟量到数字量的转换,LCM点阵型液晶才能接收、处理。
五、系统调试
5.1调试过程
(1).首先在握力计无负载时确保显示器准确显示零。
(2).然后握力臂施以不同的力量,观察显示器是否准确显示力量大小,如有偏差,采样十五次求平均值。
(3).零位稳定是影响握力计精度非常重要的因素,因受温度或其它因素影响将引起零位不稳定,这种现象称为零漂。由于零漂的影响,零输入信号时,输出可能不为零,为消除这个零位漂移值,采用零位补偿技术,零位补偿就是把这个零漂值储存起来,每一数据采集时减去这个数值,得到的数值就是消除零漂的有效信号。
六、系统功能
该数字握力计,测量范围分成四档,0~1.999Kg、0~19.99Kg、0~199.9Kg、0~1999Kg。用数字显示被测握力,小数点位置对应不同的量程显示,且具有量程自动切换功能,能适应不同层次的人群。
七、设计总结
目前,市场上的小型数显握力计很少但是其正朝着小型化、高精度、智能化方向发展。TCL2543采用较小的封装,尺寸很小,所需的器件也很少,满足了握力计小型化的需求;其内置各种控制寄存器和数据寄存器,并且可以通过SPI接口方便地控制和读取这些寄存器,满足了握力计智能化的需求。
在电子技术的课程设计中,我们花了大量的时间和精力进行资料查阅和方案论证,结合自己所学,认真解决每一个功能模块中遇到的问题。
我们还用仿真软件Proteus 6 Professional 进行某些功能模块的仿真,收到了很好的效果。
八、参考文献
[1] 张毅刚.单片机原理机应用.北京:高等教育出版社,2003.
[2] 王化祥、张淑英.传感器原理及应用.天津:天津大学出版社,2007.
[1] 阎石.数字电子技术基础部分.北京:高等教育出版社,2003.
[1] 童诗白.电子技术基础模拟部分.北京:高等教育出版社,2003.
作者简介:
常生睿(1987-),男,甘肃民勤,本科,网络工程师,专业方向:电子科学与技术;
花俊杰,男 ,25 ,河南信阳,本科,黄淮学院电子科学与工程系;
信息阅读题是一种考察学生综合能力的题型,包括捕捉信息、处理信息的能力,综合应用能力、自主学习能力、物理思维能力和创新意识.此类题目能够帮助学生实现从模仿到创造的思维过程,从无知到有知,从掌握到应用的过程.
阅读信息题的材料往往是通过一些重点、热点问题,以文字、表格、图像等形式,要求学生根据题目的内容,解读其中隐含的信息,并且根据学过的物理知识,和通过文章的信息新学的知识,来解决题中所要求解决的问题.
解题方法大致分为以下几个步骤:
(1) 获取信息.信息包含明显的和隐含的,需要认真阅读,仔细分析.一些简单的问题可以直接从信息中找到答案.
(2) 处理信息.认真阅读题目中提出的问题,明确题意需要解决的是什么问题,根据获取的信息再联系已知和未知,用比较、判断、推理、分析和综合等方法,挖掘隐含的知识,呈现知识原形,在已知和未知间建立起一定的联系.
(3) 解答问题.通过整理、分析、提取、加工等手段来解决问题.
例1 力传感器在电子秤中的应用电子秤所使用的测力装置是力传感器.
常见的一种力传感器由弹簧钢和应变片组成,其结构示意图如图甲所示.弹簧钢右端固定,在其上、下表面各贴一个相同的应变片.若在弹簧钢的自由端施加向下的作用力F,则弹簧钢发生弯曲,上应变片被拉伸,下应变片被压缩.力越大,弹簧钢的弯曲程度越大.
应变片结构如图乙所示,其中金属电阻丝的阻值对长度变化很敏感.给上、下金属电阻丝提供相等且大小不变的电流,上应变片两引线间电压为U1,下应变片两引线间电压为U2,传感器把这两个电压的差值U(U=U1-U2)输出,用来反映力F的大小.
金属电阻丝的阻值随温度会发生变化,其变化情况如图丙所示.为消除气温变化对测量精度的影响,需分别在上、下应变片金属电阻丝与引线之间串联一只合适的电阻,进行温度补偿,串联合适的电阻后,测量结果不再受温度影响.
(1) 这种力传感器是将力的大小转换为(电流/电压)的装置.
(2) 外力F增大时,下列说法正确的是.
A. 上、下应变片金属电阻丝电阻都增大
B. 上、下应变片金属电阻丝电阻都减小
C. 上应变片金属电阻丝电阻减小,下应变片金属电阻丝电阻增大
D. 上应变片金属电阻丝电阻增大,下应变片金属电阻丝电阻减小
(3) 传感器输出的电压U随外力F增大而.
(4) 进行温度补偿时,应给上金属电阻丝串联阻值随温度升高而的电阻,下金属电阻丝串联阻值随温度升高而的电阻.
(5) 如果未进行温度补偿,自由端受到相同的力F作用,该传感器下应变片两端的电压U2冬天比夏天(大/小).
答案 (1) 电压(2) D (3) 增大 (4) 减小 减小(5)小
解析 (1) 传感器把两个电压的差值输出,用来反映力F的大小,所以这种力传感器是将力的大小转换为电压的装置.
(2) 外力F增大时,上应变片被拉伸,金属电阻丝长度变大,电阻变大,下应变片被压缩,金属电阻丝长度变短,电阻变小.故选D.
(3) 压力越大电子秤示数越大,也就是输出的电压越大,所以传感器输出的电压U随外力F增大而增大.
(4) 未进行温度补偿时,金属电阻丝的阻值随温度的增大而增大,所以串联的电阻应该是随着温度的升高而减小的电阻.
(5) 冬天比夏天电阻增加的小,所以该传感器下应变片两端的电压U2冬天比夏天小.
例2 我国《道路交通安全法》规定:严禁酒后驾车!参照《车辆驾驶人员呼气酒精含量阈值与检验标准(GB19522)》,呼气中酒精浓度大于等于0.09mg/L就属于酒后驾驶.由此,茅山中学综合实践活动小组的同学就“呼气中酒精浓度是否超标”展开探究活动,小组同学通过资料查询,知道氧化锡具有气敏特性,当周围气体中酒精浓度增加,其电阻值就降低.他们到电子器材商店购得某型号氧化锡检测电阻Rx,其阻值与周围气体中酒精浓度的关系图像如图所示.同学们按两种方法分别展开实验探究,请选择其中一种方法并完成电路设计.(两种方法都做,以第一种为准)
分析
方法一:
提供了电压表,很显然是用电压表测量电压.查图像可得,当酒精浓度等于0.09mg/L时,氧化锡检测电阻Rx的阻值为6Ω.用电压表测电压又有两种设计,一种情况是用电压表测Rx的电压,另一种情况是用电压表测R0的电压,两种是不是都可行呢?分析如下:
(1) 电压表测Rx的电压,如图1所示
当Rx的电压为1.5V时,R的电压为(6-1.5)=4.5V,由分压原理可得Rx/R0=1.5/4.5=1/3,求得R0=3Rx=18Ω.但是由图像可以看出,当呼气中酒精浓度很低时,Rx的值大于20Ω,而R0=18Ω,此时Rx的电压就会超过3V,超过了电压表的量程.所以这种方法不妥.
(2) 电压表测R0的电压,如图2所示
当R0的电压为1.5V时,Rx的电压为(6-1.5)=4.5V,由分压原理可得R0/Rx=1.5/4.5=1/3,求得R0=Rx/3=2Ω.采用这种接法,当呼气中酒精浓度很低时,也就是Rx的值大于20Ω,R0的电压很小,不会超出电压表的量程.
方法二:
提供了电流表,就是要测电流.一种考虑是并联电路,另一种考虑是串联电路.
(1) 并联电路,如图3和图4所示
通过R0的电流始终不变,Rx的变化会导致Rx所在支路或者干路的电流发生变化,因此电流表要接在Rx所在的支路或者干路中.而当酒精浓度等于0.09mg/L时,Rx=6Ω,求得Rx所在支路的电流Ix=6V/6Ω=1A,已经超出了电流表的量程.干路更是大于
1A,所以此法不对.
关键词:小井眼;应变片;张力
当仪器在井内运动时经常会遇到不同的力量作用,通过传感器把它变换成与此力量成正比的电阻值,然后通过测量此电阻的阻值来测量仪器受力的大小,继而为仪器在测井过程中的安全运行提供参考。
1、张力探头
在钢制的弹性体上,成对的在纵向和横向上贴有R1,R2,R3,R4共4个电阻应变片,它们组成一个全桥式测量电路。如图1所示,图中C、D两点接入直流激励电压Uo,A、B两点为输出端,工作时将输出电压信号USC。这种桥式测量电路,可以灵敏地测量极微小的电阻变化。当弹性体受物体的作用时,弹性体便产生弹性形变,粘在其表面的电阻应变片随其同步地变形,因而改变了它们的电阻值。电阻应变片的长度L,截面积S,电阻率P均随之发生变化。由于电阻应变片组成的桥式电路是平衡的,电阻应变片的电阻变化会引起电桥的不平衡,从而输出电压信号,该信号与所受的载荷成正比。
2、张力电路
张力传感器位于SZL-701张力短节内,由SZL-702张力电路短节向张力传
感器提供12V恒压源。张力传感器利用电桥原理,把贴在应变梁上的四个应变片结成桥路,当应变梁受力时,贴在应变梁上的应变片阻值将发生变化,电桥失去平衡,从而输出一个与载荷力成正比的电信号,这个电信号接入到SZL-702张力电路短节进行放大、滤波处理。当载荷力从-ST-+5T变化时,张力传感器输出的电信号大约从-10mV-+10mV变化,经过放大滤波后大约从-5V-+5V变化,然后经过电源变压器的中心抽头和10#缆芯上传到数控进行采集处理。
3、电路设计
SZL-702张力电路短节不带保温瓶,且需要达到175℃一个小时的目标,经过细致筛选后选用了西安秦原公司的QY0628模块和TL081集成电路。
电源电路选用成熟的LH20-12电源模块,输出比较稳定且能够达到所需的温度指标。
测量电路做了两级放大、两级滤波。放大电路是由QY0628和TL081及其的电阻电容组成;QY0628进行的约400倍的放大,且倍数是固定的,后面的TL081主要是调整整个电路具体的放大倍数,且使整个电路达到精确的500倍放大;后面用电阻电容搭建了一个Rc滤波器,把输出中的交流干扰滤除;最后用了两个稳压二极管和一个电阻的组合来防止变密度换挡时的高压信号对电路的冲击。原理图如图2所示:
QY0628模块内部是一个高性能的差动放大器,放大倍数内部固定为约400倍差动放大,通过调节跟随器N4的输入信号来调节整个电路的零点输出信号,在电路输入为零且输出不为零时调节此调零信号,以达到吊零的目的。
4、结构设计
SZL-702张力电路短节用来配合SZL-701张力短节完成张力测量,要求的接口形式为SIT-701。
张力电路短节主要由上下盖帽、电路钢筒、电路骨架组成。仪器总长852mm,有效长度500mm。
电路骨架组装分别有29芯插座、骨架组件、29芯插头等组成,骨架组件上依次固定了变压器和电路板,张力电源电路板和张力测量电路板背对背放置。
1、压阻式压力传感器:电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。
2、蓝宝石压力传感器:利用应变电阻式工作原理,采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量特性。因此,利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外,硅-蓝宝石半导体敏感元件,无p-n漂移。
3、压电式压力传感器:压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
(来源:文章屋网 )
【关键词】应变片;称重传感器;信号整理;A/D转换
Abstract:A strain-gauge-based electronic scale experimental system is introduced which is composed of sensor detecting circuit,signal amplifying and conditioning, signal converting and MCU with a LCD displaying modules.The aim of this design is to practice the project-oriented teaching section of strain-gauge sensor.The system is set into several modules with I/Os to enhance the practicing and understanding. The steps and key points to work out a weighting sensor with strain-gauges and load cell are emphasized.
Keywords:Strain Gauge;Weighting Sensor;Signal Conditioning;A/D Converting
为了配合面向电子信息工程技术专业学生的《传感器技术与测控》课程关于应变片传感器的项目式教学,设计了这个利用基于应变计的称重传感器构成的数字显示电子秤原型系统。
系统按照传感与检测系统的划分方法,分为传感器、传感信号调理、信号采集、信号数据处理及显示几个部分,帮助学生加深对传感器和处理系统的领会和理解。
电路由传感器检测电路、检测信号放大电路、检测信号转换电路和显示电路组成,如图1所示。
图1 系统组成框图
其中,①电阻应变式传感器由4只构成电桥电路的应变计组成的构成称重传感器,完成将压力转换为电压信号;②差动放大电路由较为成熟的由运算放大器构成的测量放大器(也称为仪表放大器)实现;③A/D转换电路简单地由一个8位并行A/D转换芯片来完成,便于调试和掌握该芯片的应用;④单片机实现系统的控制;⑤键盘由4x4矩阵键盘实现,利于学习者掌握键盘扫描的原理和实现;⑥LCD显示由LCD12864模块实现。
1.称重传感器的制作
称重传感器的核心元件是电阻应变式传感器,它是一种利用电阻应变效应,将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,可用下式表示:
(1)
式中:―金属导体的电阻率(Ω・cm2/m),S―导体的截面积(cm2),L―导体的长度(m)。
为了检测应变引起的电阻的变化,并将电阻变化转换为电压的变化以利于信号采集,应变计通常构成如图2所示的电桥结构,并按照行业常规进行分颜色引线。
图2 电阻式应变传感器构成电桥电路
对于图3中的电子秤结构示意图,需要通过其核心的弹性悬臂结合应变计电路完成受力-即重量-的测量。这里,应变计的装贴是一个关键点。
图3 电子秤结构示意图
称重传感器的制作包括一下几个环节:1)设计和制作弹性悬臂。为了加强固定承重块和增加其的应变性,悬臂被设计成中间带孔洞的哑铃形,如图3中所示。2)选择电阻应变片。对应变片的电阻值和精度进行测量选择,并选用合适尺寸的应变片。这里选用的是阻值为350Ω的BF350型应变片。3)处理悬臂试件表面。去除油污锈迹等,并进行45°交叉纹打磨,并清洁。4)定位应变测点。应变片粘贴的位置及方向均对应变测量有非常大的影响,必须准确地粘贴在试件的应变测点上,并保证方向与应变方向一致。5)粘贴应变片。分清应变片的正反,上胶粘贴,注意如图4所示的定位对准。粘贴时用手进行滚压赶出气泡并检查是否贴合饱满。贴好后检查是否有短路、断路等现象。6)连接引线。应变片引线较细,必要时可配接接线柱。引线焊接时要快捷,免伤及应变片。注意检查引线是否与悬臂试件绝缘,且无断路。导线的最终引出用不同的颜色来表示,如图2和图5所示。7)进行保护和防潮处理。用硅胶或环氧树脂对试件表面进行贴敷,面积可适当扩大,覆盖应变片及其引线。
图4 应变测点的定位及应变片的粘贴
图5 悬臂应变片粘贴及引线颜色示意图
2.信号检测与调理
从电桥电路可以看出,称重传感器输出的是两路浮地的电压信号,适合使用运算放大器进行放大和调理。这里选用的是LM741构成的测量放大器电路。LM741电压适应范围较宽,可在±5~±18V范围内选用,且具有很高的输入共模、差模电压。内含频率补偿和过载、短路保护电路,可通过外接电位器进行调零。这样电路具有交、直流共模抑制大失真小等优点,且便于信号的调零、平衡等处理和调整。测量放大器电路如图6所示。
图6 测量放大器电路图
3.信号转换
检测信号经放大调理后,由A/D变换器转换为数字信号,送至由STC89S52构成的计算处理部件进行采集、处理和显示。为了便于在教学过程中进行调试和讲解,选用了较为简捷的并行输出A/D变换器ADC0804来完成信号的转换。ADC0804是一个8位、单通道、低价A/D转换器,主要特点是:模数转换时间大约100us、方便的TTL或CMOS标准接口、可满足差分电压输入、具有参考电压输入端、内含时钟发生器、单电源工作时(0V_5V)输入信号电压范围是0V_5V、不需要调零等。
利用ADC0804和单片机进行信号模数转换的电路如图7所示。
图7 ADC0804和单片机连接的电路图
使用过程中可以通过调节Vref/2所连接的电位器来调节称重传感器以及放大整理电路的零点。由于电子秤的信号变化是单向的,因此应将未承重时放大与整理电路的输出调到-2.5V,ADC0804的Vref/2设为0V,称重时输出电压上升,A/D转换可以获得28=256的动态范围。
4.计算处理及显示
计算处理的部件由单片机STC89S52来实现,承担着采集A/D变换输出数据、扫描键盘输入、输出显示数据、完成设定单价及计算金额等电子秤功能。另外,在系统硬件标定的基础上,也可通过这一部分来进行系统的非线性拟合、误差补偿以及清零等功能。
电路设计上,单片机与周围部件的连接及端口分配情况如图8所示。
图8 单片机布局和端口使用示意图
其中,键盘采用了定制的4x4矩阵薄膜键盘模块,采用了CM12864-12液晶模块,设计了相应的接口。
5.软件
系统软件使用Keil μVision V4编写和调试。软件流程图如图9所示。
图9 系统软件流程图
系统软件状态分为常规显示、称重显示、设定单价、标校几个状态,通过对键盘事件的处理进行转换。
6.结语
上述数字显示电子秤系统设计完成了基本的称重和显示功能。在实际的应用中,还需要考虑几个工程和工艺的问题。
6.1 温度对应变测量的影响
不论是试件还是应变片传感器,在温度发生变化的时候,会发生线膨胀,都会产生性能的变化。要实现高精度称重测量,必须对其温度误差进行补偿。
补偿的方法有应变片自补偿的方法,就是选用特定的敏感栅材料,使其电阻温度系数、灵敏系数以及线膨胀系数在温度变化时,能够使电阻的变化率为0,达到温度补偿的目的。在非全臂测量电桥的情况下,也可以采用线路补偿法。
6.2 引线过长时进行导线电阻补偿
非全桥检测电路的情况下,如果称重传感器导线过长,则需要对长导线电阻引起的误差进行补偿,通常用三线制或四线制的连接方法来完成。
6.3 测量误差的校正和补偿
应变片构成称重传感器,从原理、材料、制作工艺和温度影响的情况下,会存在一定的非线性特性,会对测量结果产生一定的误差,对这个误差的校正和补偿是高精度称重系统必不可少的内容。一种方法是对系统进行标称,再利用系统的可编程部分进行拟合校正和补偿。
参考文献
[1]Temperature Compensation for Strain Gauges:Theory and Practical Implementation.
[2]王来志.基于电阻应变片式传感器的电子秤设计[J].物联网技术,2014(02).
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