單元目標(biāo)電子秤的制作

1、單元目標(biāo)：電子秤的制作教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：1. 掌握電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路和工作原理；2. 掌握自感式傳感器的結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路和工作原理。能力目標(biāo)：1. 能利用電阻應(yīng)變傳感器實(shí)現(xiàn)壓力等信號(hào)的檢測(cè)；2. 能利用電感式傳感器實(shí)現(xiàn)氣體壓力等信號(hào)的檢測(cè)。素質(zhì)目標(biāo)：1. 培養(yǎng)耐心細(xì)致的工作態(tài)度；2. 培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)的工作作風(fēng)；3. 培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的合作精神。教學(xué)重點(diǎn)：1. 電阻應(yīng)變式、自感式傳感器的結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路和工作原理；2. 利用電阻應(yīng)變式、電感式傳感器檢測(cè)壓力等信號(hào)的方法。教學(xué)難點(diǎn)：利用電阻應(yīng)變式、電感式傳感器檢測(cè)壓力等信號(hào)的方法。教學(xué)方法：角色扮演法、演示法、案例教學(xué)材料及工具： 教材、工具

2、書、工藝文獻(xiàn)、一體化實(shí)訓(xùn)臺(tái)、各種電工工具考核與評(píng)價(jià)方式：技能操作（55%）+素質(zhì)考核（30%）+測(cè)試結(jié)果（15%）主要教學(xué)內(nèi)容及過程【學(xué)習(xí)情境要求】1. 利用電阻應(yīng)變式傳感器制作一個(gè)電子秤，測(cè)量范圍為2kg，其分辨力為1克，測(cè)量精度0.5%RD±1字。2. 利用液晶顯示測(cè)量值。【知識(shí)準(zhǔn)備】一. 電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片（簡(jiǎn)稱應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)）種類繁多，形式各樣，分類方法各異。根據(jù)敏感元件的不同，將應(yīng)變計(jì)分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。根據(jù)敏感元件的形態(tài)不同，金屬式應(yīng)變計(jì)又可進(jìn)一步分為絲式、箔式等。1. 絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，主要由敏感柵、基底和蓋片、黏結(jié)劑、引

3、線4部分組成。 圖:2.1絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)2. 箔式應(yīng)變片如圖2.2所示，箔式應(yīng)變片的敏感柵利用照相制版或光刻腐蝕的方法，將電阻箔材料制成各種形狀而成，它具有如下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：(1) 制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，可以制成任意形狀以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。(2) 敏感柵薄而寬，粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好。(3) 散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而可增大輸出信號(hào)。(4) 敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略。(5) 蠕變、機(jī)械滯后較小，疲勞壽命高。3. 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)沉積等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形狀的敏感柵，敏感柵的厚度在0.1um以下。薄膜應(yīng)變片具有靈

4、敏系數(shù)高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。二、 應(yīng)變片的工作原理1.應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬絲的電阻隨著它所受機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化。這事因?yàn)榻饘俳z的電阻與材料的電阻率及其幾何尺寸有關(guān)，而金屬絲在承受機(jī)械變形的過程中，這兩者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。設(shè)有一根金屬絲，其電阻為：，式中，R為金屬絲的電阻為金屬絲的電阻率，1為金屬絲的長度，S為金屬絲的截面積。根據(jù)材料力學(xué)原理，金屬絲受拉時(shí)，沿軸向伸長，而沿徑向縮短，二者之間應(yīng)變的關(guān)系為：式中，為金屬絲材料的泊松系數(shù)。令式中，K為金屬絲的靈敏系數(shù)，它表示金屬絲產(chǎn)

5、生單位變形時(shí)的電阻相對(duì)變化量。顯然，K越大，單位變形引起的電阻相對(duì)變化越大。增量表示為：。應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系為：就可以得到試件的應(yīng)力。式中，E為材料的彈性模量。通過彈性敏感元件的轉(zhuǎn)換作用，可將位移、力、力距、加速度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此，可以將應(yīng)變片由測(cè)量應(yīng)變擴(kuò)展到測(cè)量位移等上述參數(shù)，從而形成各種電阻應(yīng)變式傳感器。4. 彈性敏感元件在傳感器工作過程中，用彈性元件把各種形式的物理量轉(zhuǎn)換成形變，再由電阻應(yīng)變計(jì)等轉(zhuǎn)換元件將形變轉(zhuǎn)換成電量。根據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu)形式（柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪輻式等）和受載性質(zhì)（拉、壓、彎曲、剪切等）的不同，它們可分為許多種類。(1) 柱式彈性元件柱式彈性元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

6、的特點(diǎn)，可承受很大的載荷，根據(jù)截面形狀可分為圓筒形與圓柱形兩種，如圖2.3所示援助的應(yīng)變大小決定于圓柱的接受、橫截面積、材料性質(zhì)和圓柱所承受的力，與圓柱的長度無關(guān)；空心的圓柱彈性敏感元件在某些方面要優(yōu)于實(shí)心元件，當(dāng)空心圓柱的壁太薄時(shí)，受壓力作用后將產(chǎn)生較明顯的圓筒形變形而影響測(cè)量精度。(2) 薄壁圓筒薄壁圓筒可將氣體壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變。薄壁圓筒內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí)，內(nèi)壁均勻受壓，薄壁無彎曲變形，只是均勻地向外擴(kuò)張，如圖2.4所示。它的應(yīng)變與圓筒的長度無關(guān)，而僅取決于圓筒的半徑、厚度和彈性模量，而且軸線方向應(yīng)變與圓周方向應(yīng)變不相等。圖2.3彈性圓柱 圖2.4薄壁圓筒受力分析(3) 懸臂梁懸臂梁是一端

7、固定另一端自由的彈性敏感元件，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便的特點(diǎn)，在較小力的測(cè)量中應(yīng)用較多。懸臂梁可分為等截面梁和等強(qiáng)度梁，分別如圖2.5、圖2.6所示 圖2.5等截面懸臂梁 圖2.6等強(qiáng)度懸臂梁等截面梁的不同部位所產(chǎn)生的應(yīng)變是不想得比發(fā)的，而等強(qiáng)度梁在自由端加上作用力時(shí)，在梁上各處產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等。此外，彈性敏感元件還有圓形膜片，分為平面膜片和波紋膜片兩種，在相同壓力情況下，波紋膜片可產(chǎn)生較大的撓度（位移）。三、 應(yīng)變片的常用材料及粘貼技術(shù)5. 常用材料(1) 4YC3：4YC3是Fe-Cr-A1系550高應(yīng)變電阻合金，電阻率高，電阻溫度系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，主要用于工作溫度550的電阻應(yīng)變計(jì)。

8、(2) 4YC4：4YC4是Fe-Cr-A1系750高溫應(yīng)變電阻合金，其電阻率高、電阻溫度系數(shù)低，尤其是在600以上有較好的熱輸入和重現(xiàn)性低的零飄。合金主要用作工作溫度750的電阻應(yīng)變計(jì)，用于大型汽輪機(jī)、航空、原子反應(yīng)堆等領(lǐng)域中靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量。(3) 4YC8：4YC8銅鎳錳鈷合金精密箔材，專用于高精度箔式電阻應(yīng)變計(jì)，其溫度自補(bǔ)償性能及其它技術(shù)指標(biāo)符合電阻應(yīng)變計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級(jí)鏟平質(zhì)量要求。箔材平均熱輸出系數(shù)ct1（打不出）/，用它制成箔式應(yīng)變計(jì)，可以再鈦合金、普通鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金等多種材料制成的試件上達(dá)到良好的溫度自補(bǔ)償效果，優(yōu)于國外同類合金箔材，技術(shù)性能達(dá)到國外先進(jìn)水平。(4)

9、4YC9：4YC9是Ni-Mo系500字補(bǔ)償應(yīng)變電阻合金，它的（打不出）值高，電阻溫度系數(shù)小，熱輸出、熱穩(wěn)定性好，適用于制作在500工作的自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)。6. 應(yīng)變片的粘貼工藝步驟(1) 應(yīng)變片的檢查與選擇；(2) 試件的表面處理；(3) 底層處理；(4) 貼片；(5) 固化；(6) 粘貼質(zhì)量檢查；(7) 引線焊接與組接連線；四、測(cè)量電路由于彈性元件產(chǎn)生的機(jī)械變形微小，引起的應(yīng)變量（打不出）也很微小，從而引起的電阻應(yīng)變片的電阻率dR/R也很小。為了把微小的電阻變化率反映出來，必須采用測(cè)量電橋，把應(yīng)變電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，達(dá)到精確測(cè)量的目的。1、 平衡條件直流電橋的基本形式如圖2.7

10、所示。電橋平衡條件：或。 圖2.7電阻電橋平衡電橋就是橋路中相鄰兩橋臂阻值之比應(yīng)相等，橋路相鄰兩臂阻值之比相等方可使流過負(fù)載電阻的電流為零。2、 平衡狀態(tài)(1) 單臂直流電橋輸出電壓為：相對(duì)線性誤差r為：電橋靈敏度的定義為：設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，此時(shí)輸出電壓為：(2) 差動(dòng)直流電橋（半橋式）若圖2.7中直流電橋的相鄰兩臂為傳感器，即R1和R2為傳感器，并且其相應(yīng)變化為R1和R2，則構(gòu)成差動(dòng)直流電橋。輸出電壓為： 相對(duì)線性誤差r為：0電橋靈敏度的定義為：比使用一只傳感器提高了一倍，同事可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?3) 雙差動(dòng)直流電橋（全橋式）若直流電橋的四臂

11、均為傳感器，則構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若滿足R1=R2=R3=R4，則輸出電壓和靈敏度為輸出電壓： 靈敏度：Sv=E由此可知，全橋是直流電橋是單臂直流電橋的輸出電壓和靈敏度的4倍，是半橋式直流電橋的輸出電壓和靈敏度的2倍。二. 電阻應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償1. 溫度誤差因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素是：(1) 應(yīng)變片的電阻絲是具有一定的溫度系數(shù)。(2) 電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。應(yīng)變片電阻絲的電阻與溫度關(guān)系為：式中，Rt為溫度t時(shí)的電阻值，R0為溫度t0時(shí)的電阻值；t為溫度變化值；為敏感柵材料電阻溫度系數(shù)。應(yīng)變片由于溫度變化產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為：另外，如果敏感柵材料線膨脹系數(shù)為與

12、被測(cè)構(gòu)件材料線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，也將引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，這時(shí)電阻的變化值為： 式中，e為被測(cè)構(gòu)件（彈性元件）的線膨脹系數(shù)，g敏感柵（應(yīng)變絲）材料的線膨脹系數(shù)。因此，由溫度變化造成的總電阻變化為： 而電阻的相對(duì)變化量為： 由上式可知，試件不受外力作用而溫度變化時(shí)，粘貼在試件表面上的應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生溫度效應(yīng)，它表面應(yīng)變片輸出的大小與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)g，以及被測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)e有關(guān)。2. 線路補(bǔ)償(1) 零點(diǎn)補(bǔ)償電橋的電阻應(yīng)變片雖經(jīng)挑選，但要求四個(gè)應(yīng)變片阻值絕對(duì)相等是不可能的。即使原來阻值相等，經(jīng)過貼片后將產(chǎn)生變化，這樣就使電橋不能滿足初時(shí)平衡條件，即電橋有

13、一個(gè)零位輸出（Uo0）。為了解決這一問題，可以再一對(duì)橋臂電阻乘積較小的一橋臂中串聯(lián)一個(gè)小電阻進(jìn)行補(bǔ)償。 圖2.8零點(diǎn)補(bǔ)償電路(2) 溫度補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化也會(huì)引起電橋的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生漂移的原因有：電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)不一致；應(yīng)變片材料與被測(cè)試件材料間的膨脹率不一致；電阻應(yīng)變片的粘貼情況不一致。溫度補(bǔ)償方法一般采取用補(bǔ)償片法和熱敏元件法。(3) 彈性模量補(bǔ)償彈性元件承受一定載荷且溫度升高時(shí)，彈性模量要減小，因此導(dǎo)致了傳感器輸出靈敏度變大，使電橋輸出增大。補(bǔ)償?shù)姆椒墒闺姌虻妮敵鲭S溫度升高而減小。通常將RE/2分別接入橋路兩個(gè)輸入端，以保證橋路對(duì)稱。 圖2.9溫度補(bǔ)償電路 圖2.10零漂移補(bǔ)償

14、電路【應(yīng)變片的性能測(cè)試】一. 測(cè)試目的1. 觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式；2. 熟悉箔式應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的性能，充分了解兩種應(yīng)變電路的特性；3. 掌握應(yīng)變片單臂、半橋、全橋的工作原理和工作情況；4. 驗(yàn)證一昂便片單臂、半橋、全橋的性能及相互之間的關(guān)系。二. 測(cè)試器材直流穩(wěn)壓電源+4V、應(yīng)變式傳感器誓言模塊、貼于主機(jī)工作臺(tái)懸臂梁上的箔式應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)、螺旋式測(cè)微儀、數(shù)字電壓表、應(yīng)變加熱器。三. 測(cè)試步驟1. 差動(dòng)放大器調(diào)零。 圖2.112. 將圖將所需實(shí)驗(yàn)部件連接成測(cè)試橋路。 3. 確認(rèn)接線無誤后開啟主機(jī)，并預(yù)熱數(shù)分鐘，使電路工作趨于穩(wěn)定。調(diào)節(jié)模塊上的WD電位器，使橋路輸出為零。

15、4. 用螺旋測(cè)微儀帶動(dòng)懸臂梁分別向上和鄉(xiāng)下移各5mm，每位移1mm記錄一個(gè)輸出電壓值。5. 依次將圖中的固定電阻R1，換接應(yīng)變計(jì)組成半橋、將固定電阻R2、R3。換接應(yīng)變計(jì)組成全橋。6. 重復(fù)3-4步驟，完成半橋與全橋測(cè)試實(shí)驗(yàn)。7. 用半導(dǎo)體應(yīng)變片替換箔式應(yīng)變片，重復(fù)2-3步驟。8. 根據(jù)表中所測(cè)數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)上描出V-X曲線，計(jì)算靈敏度S：S=V/X，比較三種橋路的靈敏度，并作出定性的結(jié)論。9. 觀察改用交流激勵(lì)電源時(shí)應(yīng)變片的工作特性。10. 注意事項(xiàng)(1) 由于懸臂梁彈性恢復(fù)的之后及應(yīng)變片本身的機(jī)械滯后，所以當(dāng)螺旋測(cè)微儀回到初始位置后橋路電壓輸出值并不能馬上回到零，此時(shí)可一次或幾次將螺旋測(cè)微

16、儀反方向旋動(dòng)一個(gè)較大位移，使電壓值回到零后再進(jìn)行反向采集實(shí)驗(yàn)。(2) 實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者用螺旋測(cè)微儀進(jìn)行位移后應(yīng)將手離開一起后方能讀取測(cè)試系統(tǒng)輸出電壓數(shù)，否則雖然沒有改變刻度值也會(huì)造成微小位移或人體感應(yīng)使電壓信號(hào)出現(xiàn)偏差。(3) 應(yīng)變片接入橋路時(shí)，要注意應(yīng)變片的受力方向，一定要結(jié)成差動(dòng)形式，即鄰臂受力方向相反，對(duì)臂受力方向相同，如接反則電路無輸出或輸出很小。(4) 更換應(yīng)變片時(shí)應(yīng)將電源關(guān)閉。四. 測(cè)試結(jié)果 【電子秤的電路組裝與調(diào)試】步驟1 確定系統(tǒng)方案利用由電阻應(yīng)變式傳感器組成的測(cè)量電路測(cè)出物質(zhì)的重量信號(hào)，以模擬信號(hào)的方式傳送到A/D轉(zhuǎn)換器。其次，由A/D轉(zhuǎn)換電路把由差動(dòng)放大器電路把傳感器輸出的微弱

17、信號(hào)進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，然后送A/D轉(zhuǎn)換電路中。再由A/D轉(zhuǎn)換電路把接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送到顯示電路，最后由顯示電路顯示數(shù)據(jù)。 圖2.12系統(tǒng)總體框圖步驟2 各單元電路搭建 1. 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為0.0005-0.1歐姆。所以測(cè)量電路應(yīng)當(dāng)能精確測(cè)量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中最常用的是橋式測(cè)量電路，電橋能夠精確的測(cè)量微小的電阻變化。 測(cè)量電橋如圖2.13。2. 放大電路本設(shè)計(jì)中差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)如圖2.14所示。3. A/D轉(zhuǎn)換電路 圖2.15放大器與ICL7107的連接4. 顯示電路 5. 總裝電路 圖2.17總裝電路步驟3 電路調(diào)試1

18、. 首先在秤體自然下垂已無負(fù)載時(shí)調(diào)整RP1，使顯示器準(zhǔn)確顯示零。2. 再調(diào)整RP2，使秤體承擔(dān)滿量程重量（本電路選滿量程為2千克）時(shí)顯示滿量程值。（調(diào)節(jié)RP2衰減比）3. 然后在秤鉤下懸掛1先科的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，觀察顯示器是否現(xiàn)實(shí)1.000，如有偏差，可調(diào)整RP3值，使之準(zhǔn)確顯示1.000。4. 重新進(jìn)行2、3步驟，使之均滿足要求為止。5. 最后準(zhǔn)確測(cè)量RP2、RP3電阻值，并用固定精密電阻予以代替。RP1可引出表外調(diào)整。測(cè)量前先調(diào)整RP1，使顯示器回零?！局R(shí)拓展】一. 自感式傳感器1. 基本變間隙自感式傳感器基本變間隙自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成，結(jié)構(gòu)如圖2.18所示。工作時(shí)銜鐵與被測(cè)物體

19、連接，被測(cè)物體的位移將引起空氣間隙長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示，式中，N為線圈匝數(shù)，Rm為由鐵芯、銜鐵與空氣間隙三部分組成的總磁阻。 線性化處理后的電感相對(duì)增量為：電感相對(duì)增量靈敏度K為：2. 差動(dòng)變間隙式傳感器如圖2.19所示為差動(dòng)變間隙式低昂干傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，它采用兩個(gè)相同的傳感器共用一個(gè)銜鐵組成。測(cè)量時(shí)，銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)體相連，當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。 圖2.19差動(dòng)變間隙式電感傳感器差動(dòng)

20、形式輸出的總低昂干變化量竟似為：電感相對(duì)變化量為：則電感相對(duì)增量靈敏度K為：比較單線圈式和差動(dòng)式兩種變間隙式電感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論：(1) 差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍；(2) 差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。3. 螺管型電感式傳感器如圖2.20所示為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也隨之變化，線圈低昂干兩的大小與銜鐵位置有關(guān)，線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長度X保持線性關(guān)系。 圖2.20螺管型電感式傳感器螺管型電感式傳感器的靈敏度較低，但量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作和批量生產(chǎn)，是目前使用最廣泛的一種電感式傳感器。二. 互感式傳感器互感式傳感器根據(jù)互感的基本原理，把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈間互感量的變化。變壓器式傳感器與變壓器的區(qū)別是：變壓器為閉合磁路，而變壓器式傳感器為開磁路；變壓器初、次級(jí)線圈間的互感為常數(shù)，而變壓器式傳感器初、次級(jí)線圈間的互感隨銜鐵移動(dòng)而變，且變壓器式傳感器由兩個(gè)次級(jí)繞組，兩個(gè)次級(jí)繞組按差動(dòng)方式工作。因此，它又被稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變間隙式、變面積式和螺線管式等，其中應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1-100mm的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高，靈