电子称的设计传感器

燕山大学课程设计说明书题目：电子秤的设计学院（系）：电气工程学院年级专业： 12级学号：学生姓名：指导教师：教师职称：燕山大学《传感器原理与设计》课程设计任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：仪器科学与工程系说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

2014年 12月 12日摘要称重技术是日常生活不可获缺的技术，随着科学技术的发展，称重技术和称重装置也获得了广泛的发展。

基于电阻应变传感器的电子称以其制作简单、成本低、量程大、精度高等优点，得到了广泛的应用和发展。

电阻应变式传感器是以电阻应变效应为基本原理的电阻式传感器。

它由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。

弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。

电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、扭矩、位移等多种物理量。

本文介绍了一种基于电阻应变式的称重传感器的电子秤的设计，其中包括惠斯通全桥电路的设计和搭建、OP07组成的放大电路的设计、AD7705组成的模数转换电路以及转换后数字采集和显示的实现。

详细叙述了该称重传感器的参数设计，并验证其可行性。

关键字：传感器、电阻应变、差动电桥、放大电路、AD转换目录第1章概论 01.1 调研的意义 01.1.1 课题背景 01.1.2 调研意义 01.2 研究现状 (1)1.2.1 国内外电子称的研究现状和发展趋势 (1)1.2.2 典型电子称产品举例 (2)1.3 为电子称设计进行的准备 (2)第2章电子称的具体设计方案 (3)2.1 敏感元件的介绍 (3)2.1.1 电阻应变片的工作原理 (3)2.1.2 弹性元件 (5)2.2 匹配电路的设计 (7)2.2.1 元器件选择与功能描述 (7)2.2.2 测量电路的设计 (7)2.2.3 差动放大电路单元 (9)2.2.4 A/D转换单元 (10)2.2.5数据处理与显示部分 (11)第3章仿真电路 (12)3.1仿真电路的建立 (12)3.2仿真电路结果分析 (13)第4章体会与收获 (15)参考文献 (15)第1章概论1.1调研的意义1.1.1 课题背景电子称重技术是从50年代中期电子技术深入到衡器的辅助测量技术，从60年代初出现了机电结合电子衡器开始，迅速发展成为一门新兴技术，它是集传感器技术、微电子技术、计算机控制及测试技术、机械制造自动化技术为一体的综合技术，是现代称重计量和控制系统工程的重要技术基础。

应用电子称重技术开发的电子称重系统具有广阔的领域和较强的渗透性。

1.1.2 调研意义在我们生活中经常都需要测量物体的重量，于是就用到称。

随着计量技术和电子技术的发展，纯机械结构的杆秤、台称、磅秤等称量装置逐步被淘汰。

电子称量装置如电子称、电子天平等以其准确、快速、方便、显示直观等诸多优点而受到人们的青睐。

电子称向提高精度和降低成本方向发展的趋势引起了对低成本、高性能模拟信号处理器件的增加。

其中电阻应变式传感器电子称在各个领域得到广泛应用。

研究和设计完善电子称可以使现代化技术应用于生活，使国民生活更加方便、快捷、智能化。

1.2 研究现状1.2.1 国内外电子称的研究现状和发展趋势国内电子称量技术基本达到国际上20世纪90年代中期的水平，少数产品的技术已处于国际领先水平。

国内的电子称市场中，1009左右量程的电子称精度一般为0.019。

在研究方法上，电子称量系统的工作原理一般是将作用在承载器上的质量或力的大小通过压力传感器转换为电信号，并通过处理电路实现该信号。

随着技术的发展，电子秤的制造技术及应用得到了新的发展，电子秤技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量他点从单参数向多参数发展。

特别对快速称重和动态称重的研究与应用。

但就总体而言，我国电子秤产品的数量和质量与工业发达国家相比还有差距。

但近年来国家投入重点研发资金，让其发展不断加快。

在国际上，一些发达国家在电子称重方面已经达到了较高的水平。

特别是在准确性和可靠性方面有了很大的提高。

成果举例如下：（1）美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器，用于高准确度检验平台，准确度可达5000d。

（2）德国HBM公司成功研制出C2A、C16A两种不同结构的1—100t具有耐压外壳保护的防爆称重传感器，其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018d级标准。

（3）美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F6Ox系列5—5000kg 称重传感器，准确度6000d。

用于湿度大、腐蚀性强的环境中，而且防水。

通过分析今年来电子秤产品的发展情况及国内外市场的需求，电子秤总得发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准备度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。

1.2.2 典型电子称产品举例电子称产品的种类众多，下面两个是平时常用电子称的典型代表（1）人体称重电子称（2）商业电子台秤1.3 为电子称设计进行的准备电子称有诸多种类，其中电阻应变传感器的电子称以其制作简单、成本低、量程大、精度高等优点，得到了广泛的应用和发展。

我们此次就是要设计电阻应变式传感器的电子称。

电阻应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性度好等优点，且能在恶劣条件下工作，在力、压力和重量测试方面有着广泛的应用，力传感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

电阻应变式传感器的基本原理是将被测的非电量转换为电阻的变化，通过测量电阻值的变化达到测量非电量的目的。

电阻应变式电子称是利用弹性体（弹性元件，敏感梁等）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而完成了将外力变换为电信号的过程。

电阻应变片、弹性体、检测电路和数据处理显示部分是电阻应变式电子称中不可缺少的部分。

第2章电子称的具体设计方案2.1 敏感元件的介绍2.1.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。

他的一个重要参数是灵敏系数K。

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。

设其伸长，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少。

电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间成比例的关系。

设一个有效长度为l 、截面积为A 、电阻率为ρ的金属应变片，原始电阻R 为A l R /⋅=ρ （2.1.1-1）上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数可得 ρρρd Al dA A l dl A dR +-=2 （2.1.1-2）代入A l R /⋅=ρ得ρρd A dA l dl R dR +-= （2.1.1-3） 由于金属体积不变，可以知道μεμ-=-=l dl r dr （2.1.1-4）可以知道ρρμεεd R dR ++=2 （2.1.1-5） 对金属材料，导电率不变，式（2.1.1-5最终可化简为：εεμK RdR =+=)21( （2.1.1-6） 式（2.1.1-6)称为“应变效应”的表达式。

K 称为金属电阻丝的灵敏度系数，从式（2.1.1-6)中可知，对于金属电阻应变片，电阻的相对变化只跟金属电阻丝的灵敏度系数K 有关，通常有2=K 。

ε通常很小，常用610-表示。

在应变测量中，也常将之称为微应变()εu 。

对金属材料而言，当它受力所产生的轴向应变最好不大于10000，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。

因此，可以通过测量电阻应变片的电阻变化来达到测量应变的目的。

2.1.2 弹性元件本设计以等强度梁为弹性元件。

等强度梁的结构如图所示，是一种特殊的悬臂梁。

其特点是：沿梁的长度方向的截面按一定规律变化，集中力F 作用在两端三角顶点上时，距作用力任何距离截面的应力相等，故在对L 上黏贴应变片位置要求不严。

假设梁的固定端宽度为b0，自由端的宽度为b ，梁长为L ，梁厚为H 。

图2.1.2—1 等强度梁的结构示意图根据悬臂梁的特性，当重力作用在自由端是，最大弯曲应力为 206l w b hσ=（2.1.2-1） 则应变为： 206l w E b h Eσε== （2.1.2-2） 式中， W---------被测物体重力H-----------梁的厚度b0---------固定端宽度L-------------梁长E -------------弹性模量根据式(2.1.2-1)和弹性强度理论，可写出强度条件： 206[]l w b hσσ=≤ （2.1.2-3） 2.2 匹配电路的设计2.2.1 元器件选择与功能描述限制量程宽度和分辨率的因素主要有悬臂梁的强度、电阻应变片的的线性范围、放大电路的放大特性和AD 转换电路的量程。

其中任何一个因素变化都会影响电子称测量效果。

只有选择适当的参数才可以满足设计的要求。

经过计算与分析，选用常用的1000Ω的金属应变片组成全桥电路，采用OP07组成的仪用放大器进行微弱信号放大。

用AD7705作为模数转换器采样输出电压，并利用AT89C52单片机进行软件较零，最后输出到数目管显示数据。

下图是所设计电子称得工作流程图。

所设计电子称具有2000g 的量程和1g 的分辨率，能够达到设计要求。

2.2.2 测量电路的设计为了消除非线性误差及温度误差对测量结果的影响，设计的电阻应变式采用四臂差动式电桥测量电阻。

距固定端较近的表面顺着亮的长度方向分别贴上R1,R3，和R2，R4(R2，R3在底部)的电阻应变片，如图若R1，R3承受拉力，则R2，R4承受压力。

两者应变相等，极性相反。

因此有：R 4R 2R R 3R 1R ∆-=∆=∆∆=∆=∆， （2.2.2-1）则差动全桥输出电压公式为： 0SR U U R ∆= （2.2.2-2）因此，电桥输出电压U0与R R∆成严格的线性关系，消除了电桥非线性的影响，也消除了温度误差的影响。

输出比单臂电桥增大四倍，灵敏度也提高四倍。

由上述所示公式推导出R K R ε=∆,所以R ∆的取值范围为0到20Ω。

仿真中用980Ω的固定电阻和40Ω的滑动变阻器等效替代1000Ω的应变片。

其等效电路如图所示。

0R =∆时的测量电桥由式（2.2.2-2)可得0206S U LW KU b h E = （2.2.2-3）00206S LWK U U b h E =（2.2.2-4） 式（2.2.2-4）就是传感器的输出电压0U 与重力W 之间的对应函数关系。

一旦系统设计完成，等式右边W 前面部分就是一个常数，0U W ∝.。