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1、 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院 傳感器課程設(shè)計(jì) 小型稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 專(zhuān)　　業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 機(jī)器人學(xué)院 二0一七年六月二十五日 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 選題背景 1 1.2 目的和意義 1 第2章 設(shè)計(jì)方案及其論述 2 2.1 模型建立及電路原理 2 2.2 電路圖 4 第3章 數(shù)據(jù)圖表及分析 6 3.1 數(shù)據(jù)圖表 6 3.2 數(shù)據(jù)分析

2、 7 結(jié) 論 8 第1章 緒 論 1.1 選題背景 稱(chēng)重技術(shù)自古以來(lái)就被人們所重視，作為一種計(jì)量手段，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、交通、內(nèi)外貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域，與人民的生活緊密相連。電子稱(chēng)重器是電子稱(chēng)重器中的一種，稱(chēng)重器是國(guó)家法定計(jì)量器具，是國(guó)計(jì)民生、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計(jì)量設(shè)備，稱(chēng)重器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提高。因此，稱(chēng)重技術(shù)的研究和稱(chēng)重器工業(yè)的發(fā)展各國(guó)都非常重視。工業(yè)生產(chǎn)中，稱(chēng)重傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域，可以毫不夸張地

3、說(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。本實(shí)驗(yàn)是利用金屬箔式應(yīng)變片設(shè)計(jì)一個(gè)小型稱(chēng)重裝置。硬件部分是在Multisim中仿真設(shè)計(jì)，使用電壓變化進(jìn)行模擬測(cè)量物體重量從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果。 1.2 目的和意義 1）掌握金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂、全橋電橋工作原理和性能。 2）學(xué)會(huì)建立仿真模型。 3）比較單臂雙臂與全橋電橋的不同性能、了解其特點(diǎn)。 4）學(xué)會(huì)使用全橋電路。 5）了解物體重量與電壓的關(guān)系效應(yīng)。 6）了解電路原理。 第2章 設(shè)計(jì)方案及其論述 2.1 模型建立及電路原理 1.傳感器模型的

4、建立 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值將隨著壓力所產(chǎn)生的變化而變化。對(duì)于金屬導(dǎo)體，電阻變化率的表達(dá)式為： 通常把單位應(yīng)變所引起電阻相對(duì)變化稱(chēng)作電阻絲的靈敏系數(shù)，對(duì)于金屬導(dǎo)體，其表達(dá)式為： 所以： 在外力作用下,應(yīng)變片產(chǎn)生變化,同時(shí)應(yīng)變片電阻也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得阻值變化為△R時(shí)，可得到應(yīng)變值ε，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，得到應(yīng)力值為 式中： σ-應(yīng)力,ε-應(yīng)變（為軸向應(yīng)變），E-材料的彈性模量。 又重力G與應(yīng)力σ的關(guān)系為：

5、 式中： G-重力,S-應(yīng)變片截面積 根據(jù)以上各式可得到： 由此得出應(yīng)變片電阻與重物質(zhì)量的關(guān)系，即 根據(jù)應(yīng)變片常用的材料（如康銅）取 所以在Multisim中可用建立以下模型來(lái)代替應(yīng)變片進(jìn)行仿真，模型如圖2-1 圖2-1 2.橋路部分電路原理 電阻應(yīng)變計(jì)把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成ΔR/R后，必須采用轉(zhuǎn)換電路通常采用惠斯登電橋電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。單臂電橋,如圖2-2 圖2-2 當(dāng)電橋平衡時(shí),相對(duì)的兩臂電阻乘積相等,即： 設(shè)橋臂比n=R2/R1 由于R1<

6、 從上式分析發(fā)現(xiàn)： (1)橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓。 (2)電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，必須恰當(dāng)?shù)倪x擇n的值，保證電橋具有較高的靈敏度。 2.2 電路圖 1單臂電橋 圖2-3 2雙臂電橋 圖2-4 3四臂電橋 圖2-5 第3章 數(shù)據(jù)圖表及分析 3.1 數(shù)據(jù)圖表 設(shè)置電路的輸入端為15V的直流電源，固定電阻為348Ω，電橋端電壓分別為0.08V——0.17V的十組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。如表3-1 電壓(V) 單臂（uV） 雙臂(uV) 四臂(uV) 0.08 4.151 8.302 16.603 0.09

7、4.67 9.339 18.679 0.1 5.189 10.377 20.754 0.11 5.707 11.415 22.83 0.12 6.226 12.453 24.905 0.13 6.745 13.49 26.981 0.14 7.264 14.528 29.096 0.15 7.783 15.566 31.131 0.16 8.302 16.603 33.207 0.17 8.821 17.641 35.282 表3-1 分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)電壓隨著彼數(shù)增加而翻倍，如表3-2，表3-3

8、 3.2 數(shù)據(jù)分析 柱狀圖 表3-2 折線圖 表3-3 結(jié) 論 控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須嚴(yán)格按照系統(tǒng)分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)施，系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)試過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行。從整個(gè)小型電子稱(chēng)重器的設(shè)計(jì)過(guò)程中可看出，高速，高靈敏度，體積小，重量輕，攜帶方便，顯示直觀、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。 在試驗(yàn)中使用三種電橋：?jiǎn)伪酃ぷ鳎弘姌蛑兄挥幸粋€(gè)臂接入被測(cè)量，其它三個(gè)臂采用固定電阻；雙臂工作：如果電橋兩個(gè)臂接入被測(cè)量，另兩個(gè)為固定電阻就稱(chēng)為雙臂工作電橋，又稱(chēng)為半橋形式；全橋方式：如果四個(gè)橋臂都接入被測(cè)量則稱(chēng)為全橋形式。當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變

9、化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)<<時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對(duì)稱(chēng)電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱(chēng)電橋的輸出電壓大，所以它們的靈敏度要高。 試驗(yàn)中使用的是金屬箔式應(yīng)變片，金屬箔的一面涂膠形成膠底，然后在箔面上用照相腐蝕成形法制成的，所以幾何形狀和尺寸非常精密，箔式片有下列優(yōu)點(diǎn)：1隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，箔式片能保證尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，故靈敏系數(shù)分散性小。尤其突出的是能制成柵長(zhǎng)很小或敏感柵圖案特殊的應(yīng)變片2箔式片柵絲截面為矩形，故柵絲周表面積大，因而散熱性好。這樣，在相同截面積下，允許通過(guò)的電流較絲繞式片的大，使測(cè)量有輸出較大信號(hào)的可

10、能。另外，表面積大使附著力增加，有利于變形傳遞，因而增加了測(cè)量的準(zhǔn)確性3箔式片敏感柵橫向部分的線條寬度比縱向部分的大得多，因而單位長(zhǎng)度的電阻也小很多，使箔式片橫向效應(yīng)很小。 總之，知識(shí)必須通過(guò)應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們即學(xué)會(huì)了使用Multisim軟件，也掌握了一些有用的知識(shí)，這對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)和生活非常的有幫助，也使得我們對(duì)自己的總體知識(shí)水平有了一個(gè)了解。懂得了知識(shí)的重要性。使我學(xué)會(huì)了如何運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)收集、歸納相關(guān)資料解決具體問(wèn)題的方法，加強(qiáng)了我的動(dòng)手能力、分析和解決問(wèn)題的能力、以及增強(qiáng)綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。