傳感器課程設(shè)計(jì).doc

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11.1 選題背景11.2 目的和意義1第2章 設(shè)計(jì)方案及其論述22.1 模型建立及電路原理22.2 電路圖4第3章 數(shù)據(jù)圖表及分析63.1 數(shù)據(jù)圖表63.2 數(shù)據(jù)分析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，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，得到應(yīng)力值為式中： -應(yīng)力,-應(yīng)變（為軸向應(yīng)變），E-材料的彈性模量。又重力G與應(yīng)力的關(guān)系為：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2-12.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R/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<<R1,分母中R1/R1可忽略，于是：電橋電壓靈敏度定義為：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2-32雙臂電橋圖2-43四臂電橋圖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348，電橋端電壓分別為0.08V0.17V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)0.084.1518.30216.6030.094.679.33918.6790.15.18910.37720.7540.115.70711.41522.830.126.22612.45324.9050.136.74513.4926.9810.147.26414.52829.0960.157.78315.56631.1310.168.30216.60333.2070.178.82117.64135.282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 3.2 數(shù)據(jù)分析柱狀圖 表3-2折線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。