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过程控制与传感技术实验报告

目录第 1 章实验目的与要求 .................................................. 1 1.1 实验背景 ....................................................... 1 1.2 称重预警仪的研究现状及发展趋势 ................................. 1 1.2.1 国外称重传感器的现状 ..................................... 1 1.2.2 国内称重传感器的现状 ..................................... 2 1.3 实验任务 ....................................................... 3 1.4 进度及时间安排 ................................................. 3 第 2 章系统设计方案 .................................................... 4 2.1 总体设计 ....................................................... 4 2.2 硬件电路设计 ................................................... 4 2.2.1 全桥测量电路 ............................................. 4 2.2.2 放大信号电路 ............................................. 6 2.2.3 比较输出电路设计 ......................................... 8 2.2.4 报警电路 ................................................ 10 2.2.5 平行梁应变式称重传感器 .................................. 11 第 3 章电路测试与结果分析 ............................................. 12 3.1 电路仿真 ...................................................... 12 3.1.1 Multisim 仿真软件简介 ................................... 12 3.1.2 全桥测量电路仿真 ........................................ 12 3.1.3 放大信号电路仿真 ........................................ 13 3.1.4 比较输出电路仿真 ........................................ 14 3.1.5 报警电路设计 ............................................ 15 3.2 硬件电路调试 .................................................. 16 3.2.1 全桥测量电路调试 ........................................ 16 3.2.2 放大信号电路调试 ........................................ 16 3.2.3 比较输出电路调试 ........................................ 17 3.2.4 报警电路调试 ............................................ 17 3.2.5 电路联调 ................................................ 17 3.3 问题与解决 .................................................... 18 第 4 章结论与展望 ..................................................... 19 I

4.1 结论 .......................................................... 19 4.2 展望 .......................................................... 19 第 5 章心得体会 ....................................................... 20 参考文献 .............................................................. 22 附录一称重预警系统的总电路图 ......................................... 23 附录二称重预警系统的仿真电路图 ....................................... 24 附录三称重预警系统的实物效果图 ....................................... 25 附录四称重预警系统的电路板实物图 ..................................... 26 附录五传感器技术参数 ................................................. 27 II

第 1 章实验目的与要求 1.1 实验背景称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、内外贸易、交通运输、科学研究等各个领域，与人们的生活紧密相连。称重器是国家法定的计量用具，是国计民生，国防建设，工业生产中不可缺少的计量设备，称重器产品技术水平的高低，将直接影响各个行业的现代水平和社会效益的提高。因此，称重技术的研究和称重器工业的发展各国都非常重视。工业生产中，称重传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。在衡器的发展演变过程中，曾经先后出现了 6 种类型的衡器设计，分别是：架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤。时下，随着现代科技的重要飞跃与高速进步，衡器也开始转入了便利化、数字化、智能化的发展方向。随着自动化技术的日益发展，称重系统大多数时候需要对压力进行控制，并且反馈控制压力信号，同时也要求敏感器件输出感应信号。最后，由压力信号转换为电信号。 1.2 称重预警仪的研究现状及发展趋势称重传感器是一种能够将压力转换为电信号的装置，在电子称重仪中是一个非常重要的部件，能够实现这类功能转换的传感器还有很多，最常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。市场上大多数的产品主要使用电阻应变式称重传感器，这类传感器具有结构简单、精度高、适用性广的特点，可用于条件相对较差的地方。因此，电阻应变称重传感器具有广泛的应用前景。 1.2.1 国外称重传感器的现状自 20 世纪 70 年代以来，发达国家在电子称重方面，其技术水平、品种和现模都达到了较高的水平。称重传感器在技术方面的主要标志是准确度、长期稳定性和可靠性。目前作为贸易结算的静态秤已经能够满足以上要求。IML 规定：在稳定性方面，一年内不允许超差；在可靠性方面要求传感器在正常使用条件下，其寿命应能达到在十年以上 MTBF 超过 20000 小时，能够适应在各种恶劣条件下使用，准确度一般能够达到 0. 1% - 0.3%。 1

传感器作为称重系统中的核心部分对其稳定性和可靠性都有相当高的要求，目前应用于称重系统的传感器的主要类型有:电阻应变式、电阻式、电压式、剪切式、振弦式压力传感器、面波谐振称重传感器、微处理器电子称重传感器等。 (1)电阻应变式称重传感器。在弹性元件表面粘贴有应变片弹性元件在受力之后会发生一定的弹性变形，引起应变片也发生相应的变形，当应变片变形后，它的阻值将增大或变小，这时，通过测量电路将此变形情况转换为电流信号。这种将力变形转换为电信号的处理方法就称为电阻应变式称重传感器。 (2)压力传感器的原理是正压电效应。在对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短此时压电材料为抵抗该变化，会在材料相对的表面，上产生等量正负电荷，以保持原状。该传感器的优点是具有高的灵敏度和分辨率，结构小巧。缺点是紧固应力被施加到压电元件的核心,它有可能弯曲受力变形的影响，导致传感器的线性度和动态性能退化。此外在环境温度变化下膜片的预应力变化时导致压电元件也发生变化，从而产生输出误差。 1.2.2 国内称重传感器的现状目前，我国称重传感器产品中，静态秤己经满足国际法制计量组织 III 级秤的要求。静态使用的工艺秤也能达 0.1%-0.3%的准确度。动态称重能够达到国家规定的 0.5 级标准要求，个别产品可以达到 0.2 级。总体来说我国电子称重装置的水平相当于发达国家 20 世纪 80 年代中期的水平，尚存在不少差距突出表现在电子秤数量上所占比例仅为 6.6%。其中工业用电子衡器为 40.8%，商用电子衡器为 6.4%。而发达国家的工业用电子衡器为 80% -90%，商用衡器为 50% -60%。其次是品种少功能不全，还不能满足经济建设和科技进步的需求。现在，静态称重用的传感器已经有了较为满意的性能指标。但是，由于用于动态称重传感器的动态特性设计还没有受到足够的重视，现阶段动态称重用的传感器均使用静态称重所用的传感器，由于这类传感器的响应速度慢和超调量大，在很大程度上限制了动态称重的速度和准确度。我国称重传感器的类型与国外传感器的类型基本相似。随着我国称重系统的不断发展，通过吸收国外称重传感器的先进技术，研究设计出了适合我们国家的产品，从技术和工艺水平方面都有一定的提高，为国内的市场提供了大量质优的产品。不过在有些重要的质量指标上，各项工艺技术还有所欠缺，仍存在较大差距，所以将来在准确度、稳定性等重要的参数指标方面需要更多的研究。 2

1.3 实验任务本实验是利用四个电阻应变片设计一个小型称重及预警装置。硬件部分在 Multisim 软件中进行仿真设计，通过模拟电压变化进行模拟测量物体重量并于设定值电压值进行比较进而达到实验效果。 (1)设计相关实验电路（电路论证分析、元器件选型、模块电路实际方案选择） (2)对实验电路进行仿真（Multisim 或 EDA 软件） (3)按照仿真电路进行焊接（连接各个元器件工作电路） (4)调试传感器并采集数据 (5)撰写设计报告（方案论证、器材选取、数据整理与分析） (6)验收实物和说明书 1.4 进度及时间安排本次课程设计时间安排为期两个星期，具体时间及任务分配如下表 1-1 所示：表 1-1 进度及时间安排时间 7 月 1 日 7 月 2 日 7 月 3 日 7 月 4 日 7 月 5 日 7 月 8 日 7 月 9 日 7 月 10 日 7 月 11 日 7 月 12 日任务题目讲解、布置任务实验选题与查阅相关资料传感器电路设计与选材电路仿真及原理图焊接传感器电路硬件调试与信息采集硬件检查撰写设计报告验收报告与答辩工作上交报告 3

第 2 章系统设计方案 2.1 总体设计该称重预警系统主要有称重传感器、OP07 运算放大器、LM393 选择器、三极管、 LED、蜂鸣器组成。按照本设计功能的要求，系统分为以下四大部分：控制部分、信号采集部分、报警部分和电源部分，系统设计总体方案框图如图 2-1 所示。在 Altium Designer 软件中绘制出称重报警仪的原理图见附录一所示。图 2-1 系统总设计框图 2.2 硬件电路设计硬件部分主要由全桥测量电路、差动式放大电路、LM393 比较器输出电路、报警电路四部分构成，通过对各个部分的连接和搭建使其能够完整的组成称重预警系统。现对其进行分布设计说明。 2.2.1 全桥测量电路 2.2.1.1 全桥电路简介电桥的概念：用比较法测量各种量（如电阻、电容、电感等）的仪器。最简单的是由四个支路组成的电路。各支路称为电桥的“臂”。如图电路中有一电阻为未知，对角线中接入直流电源 U，另一对角线接入检流计 G。可以通过调节各已知的阻值使 G 中无电流通过，则电桥平衡，未知电阻: 一般分为单臂桥测量电路、半桥测量电路、全桥测量电路。其全桥的灵敏度比半桥高，半桥的灵敏度比单臂桥高，它们的关系是： 4 压力传感器电源电路信号放大调理电路电压比较器LED显示超重报警2R)1(/3411RRRR=

差动半桥和全桥的线性最好，且灵敏度高，差动桥能够自动补偿某些外界干扰对输出的影响。其原理图如下 2-2 所示。 2.2.1.2 全桥电路设计图 2- 2 全桥电路图弹性梁上下表面附着四只应变片，其阻值随着压力的大小而改变。电阻的变化使桥式测量电路的输出电压发生变化。从而通过放大电路后进行测量，全桥测量电路采用的 4 个 120Ω 的电阻应变片构成的全桥测量电路，由于应变电阻的变化微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理，因此在后面加上差动式放大电路，将这个微小变化的电压信号转换成可以被比较器比较的放大信号。全桥测量电桥图如图 2-3 所示。图 2-3 全桥电路测量设计电路图 5 ）2（42单半全KKK==

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