1、南京航空航天大學綜合課設報告題目：電阻應變式載荷傳感器及測試校準系統(tǒng)學院：自動化學院專業(yè)：測試計量技術及儀器組員:2014年6月25日檢測技術綜合課設、設計內(nèi)容1、設計一個電阻應變式載荷傳感器及傳感器特性自動測試校準系統(tǒng)。應用力學、 傳感器技術等相關知識設計一個載荷傳感器，要求使用AUTOCAD繪制傳感器機械圖，分析推導應變和載荷的關系。 責任設計人：王偉強。2、設計傳感器調(diào)理電路，要求電路在滿足一定測試精度的前提下，盡可能簡單， 但可以設計兩個以上的電路。要求輸出電壓范圍為 -3V3V。責任設計人：陳濤。3、設計51單片機應用程序，實現(xiàn)電壓信號的采集和數(shù)字低通濾波處理，顯示載荷 大小（注意不

2、是電壓大小），并將數(shù)據(jù)通過RS232接口傳送給PC機。責任設計人:朱浪。4、編寫虛擬儀器程序，實現(xiàn)與單片機的通訊，完成校準和對傳感器靜態(tài)特性曲線 的顯示，計算傳感器的線性度（用最小二乘線性度、或端基線性度表示）、重復誤差 等靜態(tài)指標。（拓展）責任設計人。二、傳感器結構設計1.應變片的設計（1）應變片工作原理電阻應變敏感元件的轉換原理是基于導線的電阻 -應變效應。由金屬導體的電阻定律知，對于長度為L、截面積為A、電阻率為 的金屬絲，其電阻R L/A（式 2-1）結合材料的泊松比定律，經(jīng)數(shù)學變換得金屬絲電阻應變特性dR/R （1 2 ） x d /（式 2-2）則金屬絲靈敏系數(shù)Ks（式 2-3）故

3、有R/R Ks x（式 2-4）另外由于應變片存在橫向效應，因而對于應變片R/ R K x（式 2-5）其中K p Ks（2）應變片的基長查閱資料可知，為了使測量誤差減小，將sin2/10展開為級數(shù)，并略去高階小量后，可得（式 2-6）粘貼在一定材料試件（為常量）上的應變片，對正弦波的響應誤差隨柵長l0和頻率f的增加而增大。因而在設計、應用應變片時，就可按上式給定的三者的max1 6 e10（式 2-7）其基長l0應盡量選取短的，這樣可以更真實地測出被測部位的應變值,以提高測量精度。對于鋼材,5000m/s，若令精度e 0.5%，最高工作頻率fmax25kHz代入上式可得1 max<6

4、e ,：6e1.1cm1 0 f（式2-8 ）故取應變片柵長l0 1cm o(2)傳感器彈性元件的設計我們組選擇設計的是量程為10kg的梁式傳感器，但由于普通的實心梁式傳感器 具有傳感器輸出隨載荷位置的變化而變化這一缺點，我們選擇使用如圖所示的梁式 結構：在板狀梁上有兩個孔，在梁的端部有集中力作用時，孔內(nèi)承受彎曲變形。將應變片粘貼在孔的內(nèi)壁(其實黏貼在內(nèi)表面也可以)，應變片處于相反的應力區(qū)內(nèi)，當上表 面應變片變形為拉伸時，下表面則為壓縮變形，四個應變片組成差動電橋，輸出特 性的線性度好。另外，這種梁的剛度比單梁好，故動特性好，滯后小。根據(jù)應力分布圖可以看出，受力點位置變化時，一孔的彎矩增加，另

5、一孔的彎矩減小，可在橋 路內(nèi)自動補償，從而提高了傳感器精度，使用時對力點位置的要求也有所降低。圖2雙孔梁受力分析如下：可以把彈性體看作是上、下對稱的平行梁式結構，該結構屬于3次超靜定問題。 即此結構上的未知約束反力的數(shù)目比能列出的獨立靜力平衡方程的數(shù)目多三個。由 理論力學可知：“限制物體某些運動的條件稱為約束”。物體與約束之間相互作用著 力，約束給物體的力限制物體的某些運動。“約束給被約束物體的力稱為約束反力”。 例如單懸臂梁結構見圖9(a)，其一端固定，另一端為自由端。當自由端作用力P時, 固定端約束該梁在水平、垂直方向的移動及相對轉動。固定端給橫梁的約束用約束 反力X、丫、M表示。如圖9(

6、b)所示。取坐標系xOy，此力系為平面一般力系，能 列三個獨立平衡方程來求解三個約束反力。即：x 0X=0y 0 Y P 0, Y PM00 M'- PL =0, M' PL(式 2-9)此結構為靜定結構。根據(jù)上面分析，我們可將圖8的結構簡化為下圖所示的圖3計算簡圖。在上、下梁的固定端作用六個約束反力，它們分別 是：X1、Y1、 M1 （作用在上梁）X2 、Y2、M2 （作用在下梁） 此力系仍是平面一般力系，僅用靜力平衡方程只能解出三個約束反力，其余三個約 束反力需用材料力學辦法才能求解。求解過程較復雜，我只引用其結論，在力P 單獨作用下，當t1/t2 很小時，有：X! = X

7、= PL/2H（H為上下臂梁的高度）Y1=Y2 =P/2M1=M2=PL/4（式 2-10）載荷P及約束反力均為作用在梁上的外力，要討論梁的變形須分析作用在梁上各橫 截面上的內(nèi)力。由于此結構上下對稱，且結構參數(shù)均相同，所受外力也相同，我只 研究上梁任一橫截面上的內(nèi)力。 用材料力學的分析方法，為顯示出截面上的內(nèi)力，沿面 aa 假想地把梁分成兩部分， 并以左段為研究對象。則： 由于原來的梁處于平衡狀態(tài)， 所以梁的左段仍應處于平衡狀態(tài)。 作用于左段上的力， 除外力X!、Yi、Mi外，在截面aa上還有右段對它的作用內(nèi)力，把這些內(nèi)力、外力 分別投影于 x 軸、 y 軸上，其總和應等于零。由 x 0 ，得

8、：N Xi 0 N Xi （橫截面 aa 上的軸力）由 y 0 ，得：Y Q 0Q=Yi（橫截面aa上的剪力）若把左段上的所有外力和內(nèi)力對截面 aa的形心0取矩，其力矩總和應等于零。一 般說，這就要求在截面aa上有一個內(nèi)力偶矩 M由 M 0 0 得：Yix Mi M 0式 2-ii )因為在外力作用下，變形主要產(chǎn)生在梁深最小的截面附近，因此可以認為截面A-A在變形后仍保持為平面且該截面的轉角不影響截面右邊的應力場，那么令 A-A 截面的轉角為零。可以認為左段上的約束反力作用在A-A截面上。由于軸力和剪力對梁的變形影響很小，故在此僅討論彎矩M所產(chǎn)生的變形。由上式得出:M Y1x M1（式 2-1

9、2）將Mi PL/4和Yi P/2 代入上式得：MPL/4 Px/2（式 2-13）PL /40PL/4（式 2-14）E=72GPa假設黏貼應變片處的梁孔的截面的寬度為b,高度為h，則W bh2/6，由（式 2-15）（式 2-16）x =0 時， Mx = L/2 時，Mx = L 時， M于此傳感器的量程是0100N，在四處貼應變處最大的應變?yōu)?& 1=（PL2+M）/EW其中 P=100N,M=PL/4而且 c =E£< （T取 L2=150mm L=100mm b=30mm h=3mm H= 46mm代入（式2-16）得6 =64.8MPa< 110MP

10、a滿足要求。用 CAD繪得結構圖如下:(3)應變片的黏貼工藝在處理好底層的彈性元件上，戈収子貼片的定位線，經(jīng)清洗和干燥后，在貼片處 均勻地涂一層貼片膠，適當時間后按給定的方位將應變計準確地放在粘貼部位上， 而后在應變計上蓋上一層氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一個方向碾壓，擠出氣泡 和過量的粘接劑，保證膠層薄而均勻。然后在上面放一塊硅橡膠并用夾具夾緊放入 干燥箱進行固化處理。貼片時膠層的厚度必須嚴加控制，片基和粘接劑膠層厚度對于減少蠕變有非常 重要的影響，并也使粘結強度增高，更能準確地傳遞試件的應變。在實際工藝過程 中膠層的厚度還受到其它因素的限制，例如絕緣電阻，因而也下能無限制地薄，否 則將降低

11、其絕緣電阻造成傳感器性能不穩(wěn)定。貼片之后應進行初步檢查，檢查基底，蓋底有無損壞，敏感柵是否變形，貼片 方位是否正確，有無斷路、短路，有無氣泡，有無局部未貼牢，貼片后電阻值變化 不能太大(一般變化不大于土 0.5 Q)等。粘貼后的結構如下：(3)總結與體會我覺得一個系統(tǒng)的設計，第一步原理設計很關鍵，雖然我們的知識還不太扎實，不過在大 神的指導下，我們可以自己畫梁，取尺寸并計算，可以利用簡單的運放電路實現(xiàn)放大功能。設 計的過程大神讓我們思考了各類方案的優(yōu)缺點，雖然最后已經(jīng)確定了使用某種方案。但是各種 方案的提出和對比及選擇， 才是對我們各類知識真正的考察， 我們還需要豐富知識并積累經(jīng)驗。三、設計傳

12、感器調(diào)理電路（1）儀用放大器 儀用放大器：恒流源電路圖一Ec壓阻式傳感器I1供電電流l=510mA放大電路放大倍數(shù)為要達到放大器的放大要求則R6與Rg的比值大小為13216倍左右另：恒壓源供電:采用5V恒壓源供電電橋部分可以通過 R5調(diào)零，即當無載荷時，可以通過調(diào) 節(jié)R5是傳感器輸出為零。調(diào)理部分是一個差動放大器，調(diào)節(jié)輸出端的滑動變阻器 即可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)到所要求的值。首先在托盤上放1kg的砝碼，將輸出電壓調(diào)到0.3V，在放2kg,將輸出電壓調(diào)到0.6V，依次正反行程調(diào)節(jié)幾次則U out輸出與載荷 成線性關系，載荷從010kg對應的電壓在03V。輸出電壓uk P(L2 LJUi一2 EWu 取

13、 5V,k=2,E=7 1010N/m 2 丄2-L|=55-30=25mm, H=20mm,b=20mm, D=15mm ， 貝U Ui=2.32X 10-6P對應載荷10kg時輸出電壓Ui=2.32X 10-6 X 10X 9.8V=2.27X 10-4V，要輸出3V，則放大倍數(shù)A=3_42.27 10413215.8，即調(diào)理電路的放大倍數(shù)為13215.8電源的選擇：恒流源能提供固定電流， 且內(nèi)阻極大，常常運用在電子電路中用來穩(wěn)定偏置電流或作為放大器的有源負載，可大大提高電路的穩(wěn)定性和輸出增益。但是實際 應用當中恒壓源應用得更廣泛。因為恒壓源在成本上比恒流源要低很多，具有較強 的價格優(yōu)勢。

14、(2)電路特性與原理特性：由于儀用放大器是一種經(jīng)過優(yōu)化處理，專門設計的精密差分放大器，所 以它具有很多獨特的優(yōu)勢：高共模抑制比、較小的線性誤差、高輸入阻抗、低噪聲工作原理：儀用放大器是在差動放大器的基礎上發(fā)展而來，其內(nèi)部是由三個運 放和一些精密電阻構成，但實際使用電路如下：當調(diào)零電阻的指針指向中間位置時，放大器的輸出應該為零。實際輸出不為零，可 通過調(diào)節(jié)調(diào)零電阻的指針左右滑動來調(diào)零。測量放大器中，U3和U4是差模輸入和差模輸出的交叉耦合前置放大器。若把U3和U4視為各自具有一定反饋電阻的同相 比例運算電路，電路中 R11為U3和U4的公用電阻且不接地。由于 U3和U4工作 于線性狀態(tài)，根據(jù)虛短

15、特性，所以 R11上沒有共模電流。差模信號則可在 R11兩端 產(chǎn)生壓降，其放大倍數(shù)為 1+2R9/R11。由上述分析可知，該放大器具有同上述儀用 放大器的特點。定量分析：設加在運放U3同相端的輸入電壓為V1，加在U4同相端的輸入電壓為V2,若 U3、U4、U5都是理想運放，則有虛短特性。設 U3的輸出電壓為V3, U4的輸出電 壓為V6。則有：V1 -V2V3=V1WR9V6=V2-JR11R10所以儀用放大器的第一級的閉環(huán)放大倍數(shù)為A V3 V6 M R9 R10、Ai=(1)Vi V2R11由于R9=R10 R12=R13=R14=R1,5所以輸出電壓為V2)U out(1 2R9)(V1

16、R11所以整個放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)為U out2R9)而)由于電橋的滿量程輸出為50mV，若要使得調(diào)理電路的最大輸出為3V “600.05VAfAfV1 V2 (13V，則有:60,2R91 -R11因為R9=5.1K 所以R11=0.17K加在R11上的電流為0.29mA故可根據(jù)這兩個參數(shù)選取0.25K的滑線變阻器R11。運放U3和U4的選取原則是：器件的失調(diào)電壓小、溫漂低和輸入偏流小，同時 要求U3和U4的匹配參數(shù)，以提高共模抑制比。關于后級運放的選取原則是：具有優(yōu)良的共模抑制性能，滿足輸出端的電流、 電壓或功率的要求。電路中所使用的外接電阻的溫度系數(shù)應該盡可能的低。以便獲 得盡可能低的溫

17、度漂移。此外，還應考慮到熱偶效應，故應當使電路屏蔽，以防止 氣流循環(huán)以及避免產(chǎn)生溫度梯度。同時電阻 R12、R13、R14和R15阻值必須匹配, 否則共模抑制比下降。總結與體會四、設計51單片機應用程序單片機是把調(diào)理電路的輸出模擬電壓通過AD轉換為數(shù)字量，然后通過數(shù)字濾波處理，再把電壓值轉換為載荷值，以及把載荷值通過數(shù)碼管顯示出來。流程圖如下：總結與體會我是單片機程序的編寫主負責，通信部分涉及到整個單片機的程序流程，通過和小組成員的討論，最終修改成了單片機不斷循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)到串口，labview也不斷循環(huán)讀串口的數(shù)據(jù)，并實時顯示出來，在獲取數(shù)據(jù)時也利用了取平均值的方法減小誤差這一方式。單片機的整

18、個程序我 也把它看懂了，了解單片機如何控制ADC0832，如何濾波，如何顯示等等。由于在單片機中用匯編語言處理小數(shù)不易，所以數(shù)碼管顯示會存在一定的誤差。所以我想利用混合編程，即在匯編中調(diào)用C語言程序，C語言程序編寫的是數(shù)字量轉換成質(zhì)量，并分四位顯示在數(shù)碼管的程序,我利用仿真可以實現(xiàn)，但是燒寫在單片機中數(shù)碼管就出現(xiàn)了亂碼。因為自己對這塊確實還有很 多地方不了解，所以原因暫時也沒有查出來，不過混合編程的思想我想今后也會不斷學習使用 它。后來我們的小組隊員通過直接修改匯編程序，對測量數(shù)據(jù)做補償，從而實現(xiàn)了數(shù)碼管較精 確的顯示。程序清單如下：ORG 0000HSTART:LJMP MAINORG 00

19、23HLJMP INTERUPTORG 003FHMAIN:ADCS BIT P2.5 使能接口ADCLK BIT P2.4 時鐘接口ADDO BIT P2.3 ;數(shù)據(jù)輸出接口ADDI BIT P2.2 數(shù); 據(jù)輸入接口MOV SP,#60HMOV TMOD,#20HMOV TL1,#0FDHMOV TH1,#0FDHMOV PCON,#00HSETB TR1MOV SCON,#01010000BMOV IE,#90H;串行口初始化LCALL GETDATA ; 調(diào)用 AD 轉換程序LCALL FIR;調(diào)用濾波子程序MOV SBUF,38H ; 發(fā)送數(shù)據(jù)SJMP $;等中斷INTERUPT:;

20、中斷處理CLR TILCALL GETDATALCALL FIRLCALL XIANSHI調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序MOV SBUF,38HRETIFIR:;濾波子程序，低通濾波算法MOV 32H,AMOV 33H,#00HMOV R3,#6LOOP:MOV 30H,32HMOV 31H,33HLCALL GETDATAMOV B,#8MUL ABMOV 32H,BMOV 33H,AMOV B,#248MOV A,31HMUL ABRLC AMOV A,BADDC A,33HMOV 33H,AJNC FIR1INC 32HFIR1:MOV B,#248MOV A,30HMUL ABADD A,33H

21、MOV 33H,AMOV A,BADDC A,32HMOV 32H,ADJNZ R3,LOOPMOV 38H,32HRETMOVE:;74LS164移位子程序MOV R7,#8 ;準備送下后 8 個時鐘脈沖AD1:MOV C,ACC.7MOV P0.6,CRL A 左; 移一次CLR P0.7NOPNOPSETB P0.7形成一次時鐘脈沖NOPNOPDJNZ R7,AD1 循; 環(huán) 8 次RETZH:;電壓值轉換為載荷值子程序MOV A,32HCJNE A,#23丄PO用軟件實現(xiàn)誤差糾正LPO:;值較大時減3LSB,較小時減2LSBJC LP7SUBB A,#O3HSJMP LP8LP7:CJ

22、NE A,#O3H,LP9LP9:JNC LP1OMOV A,#OOHSJMP LP8LP1O:SUBB A,#O2H;LP8:MOV B,#153DIV ABMOV 4OH,A ;4OH 存放十位MOV A,BMOV B,#15DIV ABMOV 41H,A;41H 存放個位MOV A,#1OMUL ABMOV B,#15DIV ABMOV 42H,A;42H 存放十分位MOV A,#1OMUL ABMOV B,#15DIV ABMOV 43H,A;43H 存放百分位MOV R1,BCLR CCJNE R1,#8, ZH1;小數(shù)點省略部分四舍五入ZH1:JC ZH2MOV A,43HADD

23、A,#1MOV 43H,AMOV A,#OADDC A,42HMOV 42H,AMOV A,#OADDC A,41HMOV 41H,AZH2:RETXIANSHI:; 數(shù)碼管顯示子程序LCALL ZHLD2:MOV RO,#4OHMOV R3,#OFDHLD3:MOV PO,R3MOV A,ROMOV DPTR,#DTABMOVC A,A+DPTRCJNE R3,#OFBH,LD4ANL A,#7fH;在顯示個位的時候顯示小數(shù)點LD4:LCALL MOVELCALL DELINC ROMOV A,R3JNB ACC.4,LD5RL AMOV R3,ALJMP LD3DTAB:DB OcOH,Of9H,Oa4H,ObOH ;共陽極段碼表DB 99H,92H,82H,Of8HD