稱重傳感器靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)

1、南京航空航天大學(xué)綜合課設(shè)報(bào)告題目：稱重傳感器設(shè)計(jì)及性能測試學(xué)院： 自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)： 測試計(jì)量技術(shù)及儀器組員： 031230325 李鴻影031230326 楊宇科2015年7月4日檢測技術(shù)綜合課設(shè)一、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)一個(gè)電阻應(yīng)變式載荷傳感器及傳感器特性自動(dòng)測試校準(zhǔn)系統(tǒng)。應(yīng)用力學(xué)、傳感器技術(shù)等相關(guān)知識設(shè)計(jì)一個(gè)載荷傳感器，要求使用AUTOCAD繪制傳感器機(jī)械圖。責(zé)任設(shè)計(jì)人：李鴻影。2、貼片工藝，力學(xué)分析推導(dǎo)應(yīng)變和載荷的關(guān)系。責(zé)任設(shè)計(jì)人：李鴻影。3、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)兩個(gè)以上的電路。要求輸出電壓范圍為-3V3V。責(zé)任設(shè)計(jì)人：楊宇科。4、編寫

2、虛擬儀器程序，完成校準(zhǔn)和對傳感器靜態(tài)特性曲線的顯示，計(jì)算傳感器的線性度（用最小二乘線性度、或端基線性度表示）、靈敏度（包括放大器，V/kg)、重復(fù)誤差、遲滯誤差等靜態(tài)指標(biāo)。責(zé)任設(shè)計(jì)人：楊宇科。二、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇（1）傳感器結(jié)構(gòu)的機(jī)械制圖圖2.1 實(shí)際實(shí)驗(yàn)原理圖 （式2.1）圖2.2 AntoCAD繪制機(jī)械原理圖（2）彈性體的材料選擇因?yàn)閺椥泽w在稱重傳感器中主要用來承載重物的載荷，形成變形，以便粘貼在彈性體上的應(yīng)變片感受到變形，從而得到重物質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)稱重傳感器的設(shè)計(jì)功能。所以，一般對彈性體有如下具體的要求：1.強(qiáng)度高：具有較強(qiáng)的抗壓(或抗拉)強(qiáng)度,以便在高載荷下有足夠的安全性能。2.溫

3、度系數(shù)小且穩(wěn)定3.彈性滯后、彈性后效小4.良好的機(jī)械加工和熱處理性能5.耐腐蝕性能好常用的彈性體材料有：鉻鋼，合金鋼，鉻錳彈簧鋼，鈹青銅，鋁合金本次設(shè)計(jì)的傳感器彈性體采用硬鋁合金進(jìn)行制作，以下對硬鋁合金的性能指標(biāo)進(jìn)行簡單概述：硬鋁合金主要指鋁銅系的鋁合金材料，這類合金的抗拉強(qiáng)度高，具有較好的塑性，具有較高的疲勞性能和斷裂韌度，耐熱性和加工性能良好，但耐蝕能力較低，需要進(jìn)行防腐保護(hù)。以2A11硬鋁合金為例：*其熱學(xué)性能如下：線膨脹系數(shù)： -5020 21.8m(m)-120100 22.9m(m)-1質(zhì)量熱容： 924100J(kg)-1熱導(dǎo)率： T4:11825 W(m)-1*其電學(xué)性能如下：

4、20電阻率： T4:54nm*其室溫力學(xué)性能：彈性模量E： 71GPa切變模量G： 27GPa屈服強(qiáng)度0.2： 250MPa抗拉強(qiáng)度b： 410MPa伸長率10： 15%泊松比: 0.31抗剪強(qiáng)度: 270MPa疲勞強(qiáng)度-1: 125MPa（3）總結(jié)與體會在設(shè)計(jì)機(jī)械圖時(shí)，由于沒有具體的數(shù)據(jù)，只能靠直尺測量，因此會有些許微小的誤差，不過可以大體看出來測試機(jī)械原理，一開始設(shè)計(jì)時(shí)選擇面會有一些問題，不過在我弄懂AutoCAD的三維分布就很好解決了，最后用“差集”方法打洞完成。三視圖和實(shí)體三維圖均反映在一張圖上。三、貼片工藝與力學(xué)特性分析（1）貼片工藝分析由電路理論和傳感器原理可知，采用單臂測量時(shí)輸出

5、為：ui=uk41 （式3.1） 采用差動(dòng)半橋測量時(shí)輸出為： ui=uk41-2 （式3.2）采用差動(dòng)全橋測量時(shí)輸出為： ui=uk41-2-3+4 （式3.3）又1=-2=-3=4 （式3.4）可知采用差動(dòng)全橋時(shí)靈敏度最高，為差動(dòng)半橋測量的2倍，單臂測量的4倍。綜上所述：應(yīng)該使用4片應(yīng)變片粘貼在懸臂梁上構(gòu)成差動(dòng)全橋測量電路。具體粘貼工藝與步驟如下：1. 準(zhǔn)備工作：對彈性體的表面進(jìn)行處理，保證干凈整潔光滑平整；2. 粘貼應(yīng)變片；3. 連線組成測量電橋，務(wù)必使對臂電阻變化相反，已構(gòu)成差動(dòng)電路，消除溫度等的影響；4. 復(fù)查；5. 固化； （2）等截面懸臂梁的力學(xué)特性分析根據(jù)稱重傳感器的量程要求為0

6、500g，屬于小量程測量。由（二）可知，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)（如圖3.1所示）進(jìn)行設(shè)計(jì)。以下就等截面懸臂梁進(jìn)行力學(xué)特性分析： 圖3.1由材料力學(xué)可知：應(yīng)變片粘貼處的應(yīng)變?yōu)椋?=E=6Pl0bh2E (式3.5）則測得的重力為：P=bh2E24l00 (式3.6）由（式3.5）、（式3.6）可知，應(yīng)變片所測應(yīng)變0與力P作用的位置l0有關(guān)，換言之，系統(tǒng)所測得的力F的大小隨力P作用位置l0的變化而變化。同時(shí)，所測力P的大小還會受到因載荷不正中而引起的偏心帶來的扭矩的影響。（3）帶角鋼形狀剛體的等截面懸臂梁的力學(xué)特性分析為了解決（2）中的傳感器的輸出隨載荷的位置而改變及載荷不正中帶來的影響，在（2）中等截面

7、懸臂梁的自由端加上如圖所示的角鋼形狀的剛體。以下就帶角鋼形狀剛體的等截面懸臂梁（如圖3.2所示）進(jìn)行力學(xué)特性分析:由材料力學(xué)可知，作用于角鋼形狀剛體上的力P與彎矩之差M成正比，即:PM=M1-M2 （式3.7） 可得梁上所貼4個(gè)應(yīng)變片所感受到的應(yīng)變值分別為：1=PL2+MEW （式3.8）2=PL1+MEW （式3.9）3=-PL2+MEW （式3.10）4=-PL1+MEW （式3.11） 圖3.2由電橋輸出特性可知：ui=uk41-2-3+4=uk4PL2+MEW-PL1+MEW +PL2+MEW-PL1+MEW ui =uk2P(L1-L2)EW （式3.12）（式8）中（L1-L2）為

8、兩組應(yīng)變片間的距離。由（式8）可知，電橋輸出與載荷位置無關(guān)，從而解決了（2）中的問題。（4）雙連孔懸臂梁力學(xué)特性分析由（3）中的（式8）可知，為了提高系統(tǒng)靈敏度，增大即單位力P作用下產(chǎn)生的電壓ui，可以通過減小應(yīng)變片粘貼部位即懸臂梁的實(shí)際工作部分的彎曲截面系數(shù)W，即減小工作部分的橫截面面積，所以通過在懸臂梁上開兩個(gè)互相連通的孔，以便進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈敏度，如右圖圖3.3所示。（5）總結(jié)與體會通過整個(gè)力學(xué)分析，讓我對傳感器的應(yīng)變效應(yīng)實(shí)際體會更加加深。實(shí)際工作時(shí)也可以通過仿照這次設(shè)計(jì)選擇差動(dòng)電橋的 圖3.3方法來增大靈敏度和實(shí)際應(yīng)用電橋時(shí)應(yīng)變片的貼片位置和方法。雖然推導(dǎo)過程曾經(jīng)出現(xiàn)過一些錯(cuò)誤，在看

9、書后及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正，也算加深對全橋電路的理解和印象了。四、調(diào)理電路設(shè)計(jì)圖4.1 Protel原理圖圖4.2 PCB原理圖 層1圖4.3PCB 原理圖 層2（1） 增益設(shè)計(jì)分析圖4.4三運(yùn)放測量放大器局部電路圖(2) 由數(shù)字化測試技術(shù)課程中有關(guān)測量放大器的內(nèi)容可知：設(shè)加在運(yùn)放1同向端的電壓為V1，加在運(yùn)放2同向端的電壓為V2,若運(yùn)放1、運(yùn)放2、運(yùn)放3均為理想運(yùn)放，可得三運(yùn)放測量放大器第一級的閉環(huán)放大倍數(shù)為：Af1=1+R5+R7RV2 (式4.1）第二級的閉環(huán)放大倍數(shù)為： Af2=R9R8 （式4.2）為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的能力，根據(jù)上下對稱的原則進(jìn)行電阻配置，取R5=R7,R

10、8=R10=R9=R11可得整個(gè)三運(yùn)放測量放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)為： Af=VOV1-V2=-1+2R5RV2 （式4.3）其中V1-V2即為差動(dòng)全橋的輸出電壓，由(式3.12)可知V1-V2= ui =uk2P(L1-L2)EW 可知傳感器輸出電壓經(jīng)調(diào)理電路輸出的電壓為：VO=AfV1-V2=Afui=-1+2R5RV2uk2PL1-L2EW (式4.4）又系統(tǒng)要求輸出電壓VO范圍為-3V3V為了滿足這個(gè)要求，需要對下面這個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)：-1+2R5RV2uk2L1-L2EW （式4.5）具體取值包括電阻R5=5.1k、電阻RV2=5k、電源電壓u=5V、應(yīng)變片粘貼位置L1和L2、應(yīng)變片靈

11、敏度系數(shù)k、彈性體的彈性模量E和彎曲截面系數(shù)W（2） 調(diào)零參數(shù)設(shè)計(jì)圖4.5差動(dòng)電橋及調(diào)零電路局部電路圖一般電橋四個(gè)橋臂的應(yīng)變片的標(biāo)稱電阻阻值是相等的，但實(shí)際上是存在偏差的，這就造成在彈性體受力為0是，電橋的輸出不為0。但是實(shí)際要求電橋在測量前輸出為零，這就要求在電橋測量電路上上附加調(diào)零電路，即在電路中增加電阻R6和電位器RV1，如圖4.5所示。由電路理論可知，R6和RV1將構(gòu)成三角形連接，等效橋臂電阻受其影響后變?yōu)椋海ㄆ渲衝1+n2=1）R1'=n1RV1+1n2R6 （式4.6）R2'=n2RV1+1n1R6 （式4.7）阻值變化為：R1'=R12R1+n1RV1+1

12、n2R6 （式4.8）R2'=R22R2+n2RV1+1n1R6 （式4.9）可得電阻變化最大量為：R1max'=R12R1+R6 （式4.10）R2max'=R22R2+R6 （式4.11）同時(shí)，由于引入調(diào)零電路，會帶來一定的傳感器的靈敏度誤差：=RR62(1+RR6)2*RR （式4.12）由（式4.10）和（式4.11）可知，R6的大小決定了調(diào)零電路的調(diào)節(jié)范圍，R6越小，調(diào)零電路的調(diào)節(jié)范圍越大。但是為了盡可能減小調(diào)零電路對于測量電路的影響，R6和RV1應(yīng)在可能的范圍內(nèi)盡量選取得大一些。綜上所述，本次傳感器設(shè)計(jì)是R6=10k，R1=R2=R3=R4=R=350可調(diào)節(jié)

13、橋臂電阻值為：Rmax'=11.84， Rmax'R=0.034（3）總結(jié)與體會這次實(shí)驗(yàn)的信號調(diào)理電路比較簡單，加上之前自己有自學(xué)過protel，所以protel設(shè)計(jì)部分相對比較輕松，只用了一個(gè)晚上就做完了。真正的設(shè)計(jì)其實(shí)遠(yuǎn)比這復(fù)雜，因?yàn)閜rotel官方庫里面器件很有限，而實(shí)際應(yīng)用中所用的器件可能千奇百怪，所以從原理圖設(shè)計(jì)開始，設(shè)計(jì)者可能就要開始制作器件原理圖符號，畫pcb圖要制作器件封裝，要設(shè)計(jì)電氣規(guī)則，要考慮電磁干擾，要考慮器件布局及走線等等各方面的內(nèi)容。但是，通過這次簡單的任務(wù)，可以熟悉整個(gè)設(shè)計(jì)流程，對于加深對軟件的理解其實(shí)大有幫助。在一個(gè)學(xué)期沒有用過protel后，我對

14、于其設(shè)計(jì)已經(jīng)很生疏，經(jīng)過這次作業(yè)，我又重新入門了一次。五、虛擬儀器程序設(shè)計(jì)（1）電壓測量顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）傳感器特性實(shí)際測量數(shù)據(jù)均在圖中顯示（3）總結(jié)與體會這次課設(shè)，labview程序設(shè)計(jì)部分是最有挑戰(zhàn)性的部分，也是我收獲最大的部分。雖然labview上手快，但因?yàn)檫@學(xué)期沒有選虛擬儀器這門課，我對labview設(shè)計(jì)一無所知，要在幾天的時(shí)間內(nèi)完成課程設(shè)計(jì)還是很有難度的一件事。最開始的時(shí)候?qū)abview很多控件的用法一點(diǎn)都不熟悉，程序一設(shè)計(jì)就出錯(cuò)，后來慢慢看幫助文檔才開始對labview熟悉起來。關(guān)于用labview做上位機(jī)靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)這方面的資料，網(wǎng)上實(shí)在少的可憐，能找到的寥寥幾篇論文也只是給出前面板的內(nèi)容，程序框圖是怎樣的根本看不到，而且連程序的設(shè)計(jì)思路也沒有。后來邊做邊想，幾天后終于想出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。由于對軟件了解有限，一開始設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)只能做到手動(dòng)輸入，數(shù)據(jù)處理部分放在了while循環(huán)外，每采集一次數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)手動(dòng)輸入到相應(yīng)的數(shù)組內(nèi)，數(shù)組設(shè)為