1、 I 传感器课程设计 小型称重系统设计小型称重系统设计 姓 名： 专 业： 电子信息工程 学 号： 指导教师： 二 0 一七年六月二十五日 II 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 选题背景 1 1.2 目的和意义 1 第 2 章 设计方案及其论述 . 2 2.1 模型建立及电路原理 2 2.2 电路图 4 第 3 章 数据图表及分析 . 6 3.1 数据图表 6 3.2 数据分析 7 结 论 . 8 1 第 1 章 绪 论 1.1 选题背景 称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、 交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子称重器是电子称重
2、器中的一种， 称重器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计 量设备，称重器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益 的提高。因此，称重技术的研究和称重器工业的发展各国都非常重视。工业生产中，称重 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、 生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域，可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩 瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感 器。本实验是利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。硬件部分是在 Multisim 中仿 真设计，使用电压
3、变化进行模拟测量物体重量从而达到实验效果。 1.2 目的和意义 1）掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂、全桥电桥工作原理和性能。 2）学会建立仿真模型。 3）比较单臂双臂与全桥电桥的不同性能、了解其特点。 4）学会使用全桥电路。 5）了解物体重量与电压的关系效应。 6）了解电路原理。 2 第 2 章 设计方案及其论述 2.1 模型建立及电路原理 1.1.传感器模型的建立传感器模型的建立 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值 相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值将随着压力所产生的 变化而变化。对于金属导体，电阻变化率的表达式为： )2
4、1( R R 0 k通常把单位应变所引起电阻相对变化称作电阻丝的灵敏系数，对于金属导体，其表达式 为： 21 / k 0 RR 所以： 0 k R R 在外力作用下,应变片产生变化,同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为R 时，可得到应变值，根据应力与应变关系，得到应力值为 E 式中： -应力,-应变（为轴向应变），E-材料的弹性模量。 又重力G与应力的关系为： SG mg 式中： G-重力,S-应变片截面积 3 根据以上各式可得到： mg k 0 ESR R 由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即 mgR ES k R* 0 根据应变片常用的材料（如康铜）取 mR smGRmmSmm
5、kgEk 0.004185m10016300/3488.92 /8.9;348;100;/16300;2 2 0 22 0 所以在 Multisim 中可用建立以下模型来代替应变片进行仿真，模型如图 2-1 图 2-1 2.2.桥路部分电路原理桥路部分电路原理 电阻应变计把机械应变转换成R/R 后，必须采用转换电路通常采用惠斯登电桥电路 实现这种转换。单臂电桥,如图 2-2 图 2-2 当电桥平衡时,相对的两臂电阻乘积相等,即： 4 341211 1134 0 3241 /1/1 / RRRRRR RRRR U RRRR 设桥臂比 n=R2/R1 由于 R1R1,分母中 R1/R1 可忽略，于
6、是： 电桥电压灵敏度定义为： 2 1 11 0 n1 n / U RR U SV 从上式分析发现： (1)桥电压灵敏度正比于电桥供电电压。 (2)电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值 n 的函数，必须恰当的选择 n 的值，保证电桥具 有较高的灵敏度。 2.2 电路图 1 单臂电桥单臂电桥 图 2-3 5 2 双臂电桥双臂电桥 图 2-4 3 四臂电桥四臂电桥 图 2-5 6 第 3 章 数据图表及分析 3.1 数据图表 设置电路的输入端为 15V 的直流电源，固定电阻为 348，电桥端电压分别为 0.08V 0.17V 的十组数据进行对比分析。如表 3-1 表 3-1 分析数据发现电压随着彼数增加而翻倍，如表 3-2，表 3-3 电压(V) 单臂（uV） 双臂(uV) 四臂(uV) 0.08 4
