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试验一电阻应变式称重传感器特性指导教师：吴华伟一、实验目的：1）TS-OSC-7A开放式传感器电路实验平台的熟悉和了解；2）电桥测试电路的连接方法；3）应变片安装及连接；4）随重量变化的电阻应变片的应变效应，测量和记录重量和电压的变化关系。
二、实验内容：1 TS-OSC-7A开放式传感器电路实验平台的熟悉2 电桥电路实现应变片称重测量三、实验设备●开放式传感器电路实验主板；●TS-INQ-8U多通道数据采集模块；●电阻应变式称重传感器工作对象；●砝码一套；●跳线若干；●PC机；●万用表等，●传感器特性测量.vi；●全桥电路的应用-物体重量测量.vi；四、实验原理图4-1 电阻应变式称重传感器对象结构，图4-2 传感器工作对象的信号线的连接过程。
图4-1 电阻应变式称重传感器对象结构图4-2 传感器工作对象的信号线的连接过程五、实验步骤1.按原理图找到相应的集成模块，或手动自塔电路；2.测试系统连线（电源、信号、输出、采集等）；3.系统供电，并使电桥测量电路初始测量电压＜0.5V；4.改变砝码的重量，观察并记录电桥的输出电压。
5.根据任务中测量的数据，在直角坐标系中绘制关于电阻应变式称重传感器输出电压与称重物体质量之间的关系曲线。
6.观察该曲线的线性特性并计算该关系曲线的函数关系式六、实验报告1.写出实验目的及原理图；2.实验具体步骤；3.根据实验曲线，计算求出应变—重量的函数关系；4.回答思考题。
七、思考题如何用电桥进行温度补偿？注意：1、本任务中采用的电阻应变式称重传感器的量程为5kg，在工作过程中请勿超出量程，以免损坏传感器2、电源线正负号不要接反，以免烧坏器件。
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实验一应变式传感器一、应变片单臂电桥性能实验〔一〕、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
〔二〕、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。
一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。
此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。
它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。
以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得〔1—1〕当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。
对式〔1—1〕全微分得电阻变化率 dR/R为：〔1—2〕式中：dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr由材料力学得：εL= - μεr (1—3)式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为左右；负号表示两者的变化方向相反。
将式〔1—3〕代入式〔1—2〕得：〔1—4〕式〔1—4〕说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变〔几何效应〕和本身特有的导电性能〔压阻效应〕。
2、应变灵敏度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。
(1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取〔1—5〕其灵敏度系数为：K=金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。
金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。
(2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。
理工大学现代科技学院《传感器原理与应用》课程设计设计名称应变式称重传感器设计专业班级测控11-2学号2011101471姓名玉堃同组人王鑫王海平设计日期2015年1月理工大学现代科技学院课程设计任务书注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大图纸不必装订）2.可根据实际容需要续表，但应保持原格式不变。
应变式称重传感器设计摘要粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。
本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的准备。
设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（如果可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。
通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。
在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。
在某些工业中，如航天工业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。
当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很容易修正的。
如果称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并测量出这些影响量所造成的误差。
如果某部分结构（如接头、销子、压杆）用来测量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。
称重传感器设计包括许多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。
关键词：传感器，电阻应变式，称重目录第一章方案设计 (3)第二章传感器设计 (3)2.1传感器的选择 (3)2.1.1电阻应变式传感器 (4)2.2 设计分析 (4)2.2.1应变片的测量电路 (4)2.2.2前级放大器部分 (6)2.2.3 A/D转换模块 (7)2.2.4控制模块 (8)2.2.5显示模块 (8)2.2.6键盘输入 (8)2.2.7 电源模块 (9)2.2.8 本部分总结 (9)2.3电路原理图 (10)2.3.1弹性元件的选择 (10)2.3.2 信号转换放大部分 (11)2.3.3 A/D转换部分（ICL7315） (12)2.3.4 单片机控制部分 (13)第三章软件设计 (13)3.1主程序流程图 (14)第四章课设小结 (15)参考文献 (16)第一章方案设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。
电阻应变式称重传感器的设计《自动检测技术及仪表》课程设计题目:电阻应变式称重传感器的设计学院:专业:年级:姓名:学号:目录摘要 (2)一、称重传感器 (2)1、简介 (2)2、种类 (3)二、电阻应变式称重传感器及其设计 (3)1、电阻应变式称重传感器简介及工作原理 (3)2、传感器的设计概述 (5)3、设计传感器的工作原理 (6)4、传感器弹性元件结构 (7)5、传感器测量电路 (8)6、传感器的特性 (9)7、称重传感器常用技术参数 (11)8、传感器设计相关参数选择 (13)9、应用技术及应用领域 (16)三、总结 (17)四、参考资料 (17)1摘要称重传感器是电子衡器的核心部件，随着称重传感器技术不断发展和应用领域不断扩大，传感器越来越为人们所关注。
本文通过对传感器工作原理、分类及应用等的分析，介绍了一种基于双孔梁称重的电阻应变式传感器。
它可称量被试木材在某一时刻的重量，以计算该试材在该时刻的含水率。
该方法的准确度和稳定性不受木材材性影响，且与木材含水率不均性无关。
一、称重传感器1、简介称重传感器是知识密集、技术密集和技巧密集型的高技术产品。
研制和生产所涉及的内容多、离散大，技术密集程度高，边缘学科色彩浓，是多种学科相互交叉、相互渗透的结晶。
称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。
用传感器先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。
在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。
随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重2量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器。
应变式称重传感器的设计与计算通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。
在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。
在某些产业中，如航天产业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。
当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很轻易修正的。
假如称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并丈量出这些影响量所造成的误差。
假如某部分结构(如接头、销子、压杆)用来丈量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。
在过往十年中，计算机技术的发展改变了称重传感器的设计、制造与记录方式，例如在电阻应变计被安装后，所有的称重传感器都有一个原始的不平衡(当没有载荷作用时，也有输出信号存在)。
通常零点调整电阻被应用于贸易称重传感器，以便消除这种不平衡。
运用计算机程序，零点不平衡数据很轻易被除掉。
除了零点调整电阻外，在精密的贸易称重传感器中安装了很多电阻，便于补偿诸如零点和灵敏度温度影响。
假如在记录数据的同时，称重传感器的温度也进行了丈量，并且当这个称重传感器被标定时，温度造成的误差已被测定，那么就应该运用计算机程序修正终极数据。
贸易称重传感器制造商不为计算机提供用于修正原始不平衡或温度影响的数据，由于他们不想局限市场。
贸易称重传感器不安装零点平衡及温度补偿电阻会节省大量资金，尤其是需求量很大时效果更明显。
称重传感器的输出计算图1 称重传感器电路简图图1是一个不含温度补偿电阻的称重传感器电路简图。
四个电阻应变计呈现在惠斯通电桥的桥臂上。
请留意，应变方向相同的两个电阻应变计安装在电桥的相对桥臂上，以保证电桥灵敏度最大。
例如，电阻应变计1和3受拉伸应力，2和4受压缩应力，那么这种安装的结果是当称重传感器承载后，增加了电桥从B点到C点的终极电压输出。
-太原理工大学现代科技学院《传感器原理与应用》课程设计设计名称应变式称重传感器设计专业班级测控11-2学号2011101471姓名李玉堃同组人王鑫王海平总结.设计日期2015年1月太原理工大学现代科技学院课程设计任务书注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。
应变式称重传感器设计摘要粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。
本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的准备。
设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（如果可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。
通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。
在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。
在某些工业中，如航天工业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。
当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很容易修正的。
如果称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并测量出这些影响量所造成的误差。
如果某部分结构（如接头、销子、压杆）用来测量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。
称重传感器设计包括许多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。
关键词：传感器，电阻应变式，称重目录第一章方案设计 (6)第二章传感器设计 (6)2.1传感器的选择 (6)2.1.1电阻应变式传感器 (7)2.2 设计分析 (7)2.2.1应变片的测量电路 (7)2.2.2前级放大器部分 (9)2.2.3 A/D转换模块 (11)2.2.4控制模块 (11)2.2.5显示模块 (12)2.2.6键盘输入 (12)2.2.7 电源模块 (13)2.2.8 本部分总结 (13)2.3电路原理图 (14)2.3.1弹性元件的选择 (14)2.3.2 信号转换放大部分 (15)2.3.3 A/D转换部分（ICL7315） (16)2.3.4 单片机控制部分 (18)第三章软件设计 (18)3.1主程序流程图 (18)第四章课设小结 (20)参考文献 (21)第一章方案设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。
输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。
放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，从而显示出被测物体的重量。
我们的设计原则是：采用模块化的设计方法，各模块、部分也尽量应用集成芯片，这样及保证了精度有可使设计简单化。
按照设计的基本要求，系统可分为三大模块，数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。
其中数据采集模块由压力传感器、信号的前级处理和A/D转换部分组成。
转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换。
图1—1电子秤模块设计图第二章传感器设计2.1传感器的选择传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
通常传感器由敏感元件和转换元件组成。
其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。
目前对于压力测量的传感器件大致有：压电传感器、电容传感器、电阻应变片传感器等。
2.1.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。
电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。
应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。
（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。
（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。
（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。
通过对传感器分析，最终选择电阻应变片式传感器。
2.2 设计分析2.2.1应变片的测量电路电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。
因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。
其转换电路常用测量电桥。
下图为一直流供电的平衡电阻电桥，in E接直流电源E：)(434211R R R R R R E +-+=))((43214231R R R R R R R R E ++-•3421R R R R =图2—1全桥电路称重传感器就是应用了应变片及其全桥测量电路。
图2—2 数字电子称原理框图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。
当忽略电源的内阻时，由分压原理有：AD AB BD o u u u u -===（2.1） 当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.2）[][][])()()()()()(22R R R R R R R R E R R R R uo ∆-+∆+∆-+∆+∆--∆+=E R R •∆=o u =0，即电桥平衡。
式（2.3）称平衡条件。
应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。
若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R ，R4=R+△R,按式（2.1），则电桥输出为E k ε= （2.3）题目要求称重范围0～1Kg,满量程量误差不大于±0.05Kg ，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重0.5Kg 。
我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为1Kg ，精度为0.1% ，满足本系统的精度要求。
2.2.2前级放大器部分采用专用仪表放大器AD620。
此芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。
AD620,接口如下图所示：图2—3 AD620仪表放大结构图电路的工作原理：A1，A2工作在负反馈状态，其反相输入端的电压与同相输入端的电压相等。
即RG两端的电压分别为VIN+,VIN-。
因此Ig=Vin+-Vin-/RG （2.4）设电阻R1=R2=R，则A1，A2两输出端的电压差为U12= Ig（R1+R2+Rg）=(Vin+-Vin-)(1+2R/Rg) （2.5）比较两式可得：VO=-U12=-(Vin+-Vin-)(1+2R/Rg) （2.6）则放大器的增益Av为Av=Uo/(Vin+-Vin-)=-(1+2R/Rg) （2.7）仅需调整一个电阻Rg就可以方便的调整放大器的增益，由于整个电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低。
在接口图中，通过改变可变电阻R3的阻值，来改变放大器的增益，放大器的计算公式如下：G=49.4KΩ/R3+1 （2.8）AD620具有体积小，功耗低，精度高，噪声低，和输入偏置电流偏低的特点。
其最大输入偏置电流为20nA，这一参数反应了他的高输入阻抗。
AD620在外接电阻R0时，可实现1到1000内的任意增益，工作电源范围为+-2.3到+-18V，最大电源电流为1.3mA，最大输入失调电压为125uV，频带宽度为120Khz（在G=120）2.2.3 A/D转换模块双积分型A/D转换器：双积分型ADC是间接型A/D转换器，其基本原理是首先对未知的输入电压进行固定时间的积分，然后转向对标准电压进行反向积分至积分输出电压为零（返回起始值），则标准电压的时间正比于输入电压。
输入电压越大，反向积分时间越长。
用高频率时钟脉冲来测量标准积分时间，即可得到输入电压对应的数字代码。
双积分型A/D转换器转换精度高（如：ICL7135），具有精确的差分输入。
其输出阻抗高，可自动调零，具有超量程信号，全部输出与TTL电平兼容。
双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。
对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力特强，对高于工频干扰（例如噪声电压）也具有良好的滤波作用。
只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。
尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。
故而采用双积分型A/D转化器可大大降低对滤波电路的要求。
作为电子秤精度上14位的A/D足以满足要求。
另外双积分型A/D转化器具有：抗干扰能力强和精确差分输入，低廉的价格等优势。
综合分析其优点和缺点，我们最终选择了精度为10Kg/+-20000=+-0.5g的ICL7135。
2.2.4控制模块AT89C51单片机特点能与MCS-51 兼容，有4K字节可编程闪烁存储器，寿命能够达到1000写/擦循环，数据可以保留时间长达10年，全静态工作：0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。
所以选用AT89C51单片机。
2.2.5显示模块显示部分主要可以分为：LED数码管显示和LCD液晶显示。
LCD具有低功耗，可视面大，画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已经得到广泛的应用。
下面具体介绍LCD显示。
由于本次设计的显示模块需要显示多位数字，如果采用数码管显示的话将会占用多个单片机I/O口,使得电路变得更为复杂。
所以选用1602LCD。
2.2.6键盘输入键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。
操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。
因此键盘模块设计的好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。
键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。
键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。
