电子称的设计传感器
TPMK standardization office【 TPMK5AB- TPMK08- TPMK2C- TPMK18】
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 (1)
1.1 调研的意义 (1)
1.1.1课题背景 (1)
1.1.2调研意义 (1)
1.2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 (3)
1.3为电子称设计进行的准备 (3)
第2章电子称的具体设计方案 (5)
2.1敏感元件的介绍 (5)
2.1.1电阻应变片的工作原理 (5)
2.1.2弹性元件 (6)
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 (8)
2.2.3差动放大电路单元 (10)
2.2.4 A/D转换单元 (11)
2.2.5数据处理与显示部分 (12)
第3章仿真电路 (14)
3.1仿真电路的建立 (14)
3.2仿真电路结果分析 (16)
第4章体会与收获 (18)
参考文献 (19)
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
ρρρ
d A
l
dA A l
dl A
dR +
-
=
2
（2.1.1-2）代入A l R /?=ρ得
ρ
ρd 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
ρ
ρμεεd 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 R
dR
=+=)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 2
06l
w b h σ=
（2.1.2-1） 则应变为： 2
06l
w E
b h E
σ
ε==
（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： 2
06[]l
w b h
σσ=
≤ （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。
图2.2.2-1 电阻应变片的安装示意图
因此有：
?
?
?
=
=
?，（2.2.2-1）
=
?
=
2
R
R
4
R
-
R
R?
3
1
R
则差动全桥输出电压公式为：
0S
R
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
02
06S 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
∝.。
2.2.3 差动放大电路单元
经过计算与分析，当采用正5V 电源供电时，1g 物体对应的压力导致的输出的电压约为0.05mv,是非常微弱的电压信号。要想使AD 能够不失真的转换此信号，需要对该微弱信号进行进一步的处理。本设计选用的放大电路为仪用放大器。
该仪用放大器由三个OP07组成。OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由三个运算放大器构成的仪表放大器具有以下特点：输入缓冲电路增加了输入阻抗，差分电压按[12*(/)]FGRR 的增益系数被放大，而共模信号讲义单位增益通过输入缓冲器，即不增加共模增益和误差；改变滑动变阻器的阻值即可调整差分增益；用实现了输出级点则比率匹配方式调节共模抑制比CMRR 。因为调节电阻的比率比调整电阻的绝对值要容易；另外，由于仪表放大器在结构上的对称性，输入放大器的共模误差将被输出级的减法器消除。因此，仪表放大器常被用来放大桥接传感器的差分输出以及维系电桥接收器输出信号，并同时抑制较大的共模电压。
本设计结合差动电桥的输出电压与AD 转换器件的灵敏度，将电桥的输出电压放大35倍。增益35=G ，G R 选择1000Ω的阻值，放大器电路连接图如图2.2.3-1所示，其中Ω==Ω==Ω==3k R3R2 1k R5R4 5k R7R6 ()-V V 351R 2R 214R R6-U o -=??
?
??+=+ （2.2.3-1） 2.2.4 A/D 转换单元
要实现2000/1的分辨率，至少需要12位的A/D 转换器,这里我们选用16位的AD7705。取参考电压10V 和0V ，则AD7705所能分辨的最小电压为1.53mv 。而差动放大电路的输出电压灵敏度为1.75mv/g ，可见设计的AD 符合电路的要求。但是在进行Multisim 仿真时，由于缺少响应的器件，因
此在仿真电路中用16位的通用AD替代。
AD7705是完整的16位A/D转换器，它采用了成本较低但能获得极高分辨率的。可以获得16为无误码数据输出。它的增益可以编程，能将不同的摆幅范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压在进行A/D转换，这样有利于提高转换质量。
为了满足实验要求，给AD7705提供10V的参考电压。仿真实验中用通用AD代替，电路图如图2.2.4-1所示。AD转换器的16个输出引脚连接AT89C51单片机的P0和P2口。参考电压选择10V和0V，EOC悬空。
图通用AD与AT89C52的电路连接图
2.2.5数据处理与显示部分
本设计利用AT89C51单片机对数据进行处理。测量电路输出的微弱信号经OP07组成的仪用放大电路放大和A/D转换器转换之后，数字量变化密集，直接显示无法稳定，且由于弹性元件的弹性缺陷以及干扰信号的干扰，因此需要对数据进行处理之后在显示。
由于放大器的输出为1.75mv/g,而在上述给定条件下AD7705的灵敏度可达1.53mv，当量程为0-1.999Kg时理论精度高于1g，可达到实验要求；随后单片机将采集到的数字量进行相应处理后输出到数码管。
显示部分采AT89C51单片机驱动数码管实现动态扫描显示，有软件控制刷新频率。与单片机的电路连接图如2.2.5-1所示。
四个共阴极数码管从左到右分别显示测试结果千位、百位、十位、个位。
它们的公共端依次连接在P1口的0，1，2，3引脚。另外一端连在P3口上。
第3章 仿真电路
3.1仿真电路的建立
综合前两章的介绍，这里给出仿真电路。
图3.1-1 Multisim 建立的仿真电路
对Multisim 自带HITECH 编译器对MCU 进行编程，以达到预期的效果。程序的基本思路如下：
将检测到的P0和P2数值进行整合，得到的数值即为A/D 转换器的输出值；将A/D 的输出值按照设计的计算方法进行计算；将计算结果千位、百位、十位、个位分别显示在四位数码管上。 其具体程序如图3.1-2所示。
图3.1-2 51单片机的程序
3.2仿真电路结果分析
通过计算，1g 对应 40滑动变阻器的00025.0。通过调节滑动变阻器
来模拟加在电子称的上的重物。可以得出表3.2-1。
表3.2-1 仿真电路测试结果
（1O
U为运算放大器输出的电压。）U为测量电桥输出的电压值，2O
对表格进行分析可知：放大器的放大倍数基本恒定在35倍,即运算放大器的工作稳定。但是数码管显示的结果与理论值存在几克的误差。经过分析计算，我们认为程序中的计算方法导致仿真结果的不精确。但是由于时间
和知识原因暂时没有找到合适的算法。
第4章体会与收获
通过本次的传感器课程设计，深入学习了解了电阻应变式传感器工作原理，并对传感器在工程实际用中的应用有了更深的认识与理解。对放大电路的设计和高精度AD转换器的调试有了更加丰富的经验，实践动手能力得到了锻炼，实现了学以致用的目标。
在设计的过程中，也遇到了很多问题。比如我曾经尝试用OP07、LM358和LM324设计运放，得到的结果都不是很理想，经常遇见线性度失调，放大器饱和等问题，最终采用了OP07仪表用运算放大器，实现了设计要求。在解决这些问题的过程中，我深刻体会到了理论知识的重要地位。同时，光学习理论是无法满足实际应用的需求的，我们应该将理论与实践相结合，学以致用才是真正的学习之道。在以后的学习中我会以更积极的态度，努力学习理论知识，锻炼动手实践的能力。
在本次课程设计中，遇到了很多问题，各位指导老师给予了具有方向性的建议和意见，在此深表感谢。
参考文献
1、赵燕《传感器原理与应用》北京大学出版社 2010
2、王云章《电阻应变式传感器应用技术》机械工业出版社 2005
3、《电子技术基础（模拟部分）》康华光高等教育出版社 2008
4、《新编传感器技术手册》李科杰国防工业出版社 2002
5、其他：接口电路、设计手册类参考书