单元目标电子秤的制作精.docx

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单元目标电子秤的制作精

单元目标：

电子秤的制作

教学目标：

知识目标：

1.掌握电阻应变式传感器的结构、测量电路和工作原理；

2.掌握自感式传感器的结构、测量电路和工作原理。

能力目标：

1.能利用电阻应变传感器实现压力等信号的检测；

2.能利用电感式传感器实现气体压力等信号的检测。

素质目标：

1.培养耐心细致的工作态度；

2.培养严谨扎实的工作作风；

3.培养团结协作的合作精神。

教学重点：

1.电阻应变式、自感式传感器的结构、测量电路和工作原理；

2.利用电阻应变式、电感式传感器检测压力等信号的方法。

教学难点：

利用电阻应变式、电感式传感器检测压力等信号的方法。

教学方法：

角色扮演法、演示法、案例

教学材料及工具：

教材、工具书、工艺文献、一体化实训台、各种电工工具

考核与评价方式：

技能操作（55%）+素质考核（30%）+测试结果（15%）

主要教学内容及过程

【学习情境要求】

1.利用电阻应变式传感器制作一个电子秤，测量范围为2kg，其分辨力为1克，测量精度0.5%RD±1字。

2.利用液晶显示测量值。

【知识准备】

一.电阻应变片的种类与结构

电阻应变片（简称应变片或应变计）种类繁多，形式各样，分类方法各异。

根据敏感元件的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。

根据敏感元件的形态不同，金属式应变计又可进一步分为丝式、箔式等。

1.丝式应变片

丝式应变片基本结构如图2.1所示，主要由敏感栅、基底和盖片、黏结剂、引线4部分组成。

图:

2.1丝式应变片的基本结构

2.箔式应变片

如图2.2所示，箔式应变片的敏感栅利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材料制成各种形状而成，它具有如下几个主要优点：

（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。

（2）敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好。

（3）散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而可增大输出信号。

（4）敏感栅弯头横向效应可以忽略。

（5）蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。

3.薄膜应变片

薄膜应变片采用真空蒸发沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏感栅，敏感栅的厚度在0.1um以下。

薄膜应变片具有灵敏系数高，易实现工业化生产的特点，是一种很有前途的新型应变片。

二、应变片的工作原理

1..应变效应

电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应，即金属丝的电阻随着它所受机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化。

这事因为金属丝的电阻与材料的电阻率及其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这两者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。

设有一根金属丝，其电阻为：

，式中，R为金属丝的电阻

为金属丝的电阻率，1为金属丝的长度，S为金属丝的截面积。

根据材料力学原理，金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间应变的关系为：

式中，μ为金属丝材料的泊松系数。

令

式中，K为金属丝的灵敏系数，它表示金属丝产生单位变形时的电阻相对变化量。

显然，K越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。

增量表示为：

。

应力一应变关系为：

就可以得到试件的应力。

式中，E为材料的弹性模量。

通过弹性敏感元件的转换作用，可将位移、力、力距、加速度、压力等参数转换为应变，因此，可以将应变片由测量应变扩展到测量位移等上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。

4.弹性敏感元件

在传感器工作过程中，用弹性元件把各种形式的物理量转换成形变，再由电阻应变计等转换元件将形变转换成电量。

根据弹性元件结构形式（柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等）和受载性质（拉、压、弯曲、剪切等）的不同，它们可分为许多种类。

（1）柱式弹性元件

柱式弹性元件具有结构简单的特点，可承受很大的载荷，根据截面形状可分为圆筒形与圆柱形两种，如图2.3所示

援助的应变大小决定于圆柱的接受、横截面积、材料性质和圆柱所承受的力，与圆柱的长度无关；空心的圆柱弹性敏感元件在某些方面要优于实心元件，当空心圆柱的壁太薄时，受压力作用后将产生较明显的圆筒形变形而影响测量精度。

（2）薄壁圆筒

薄壁圆筒可将气体压力转换为应变。

薄壁圆筒内腔与被测压力相通时，内壁均匀受压，薄壁无弯曲变形，只是均匀地向外扩张，如图2.4所示。

它的应变与圆筒的长度无关，而仅取决于圆筒的半径、厚度和弹性模量，而且轴线方向应变与圆周方向应变不相等。

图2.3弹性圆柱图2.4薄壁圆筒受力分析

（3）悬臂梁

悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件，它具有结构简单、加工方便的特点，在较小力的测量中应用较多。

悬臂梁可分为等截面梁和等强度梁，分别如图2.5、图2.6所示

图2.5等截面悬臂梁图2.6等强度悬臂梁

等截面梁的不同部位所产生的应变是不想得比发的，而等强度梁在自由端加上作用力时，在梁上各处产生的应变大小相等。

此外，弹性敏感元件还有圆形膜片，分为平面膜片和波纹膜片两种，在相同压力情况下，波纹膜片可产生较大的挠度（位移）。

三、应变片的常用材料及粘贴技术

5.常用材料

（1）4YC3：

4YC3是Fe-Cr-A1系550℃高应变电阻合金，电阻率高，电阻温度系数低，热稳定性好，主要用于工作温度≤550℃的电阻应变计。

（2）4YC4：

4YC4是Fe-Cr-A1系750℃高温应变电阻合金，其电阻率高、电阻温度系数低，尤其是在600℃以上有较好的热输入和重现性低的零飘。

合金主要用作工作温度≤750℃的电阻应变计，用于大型汽轮机、航空、原子反应堆等领域中静态和准静态测量。

（3）4YC8：

4YC8铜镍锰钴合金精密箔材，专用于高精度箔式电阻应变计，其温度自补偿性能及其它技术指标符合《电阻应变计》标准规定的A级铲平质量要求。

箔材平均热输出系数ct＜1μ（打不出）/℃，用它制成箔式应变计，可以再钛合金、普通钢、不锈钢、铝合金、镁合金等多种材料制成的试件上达到良好的温度自补偿效果，优于国外同类合金箔材，技术性能达到国外先进水平。

（4）4YC9：

4YC9是Ni-Mo系500℃字补偿应变电阻合金，它的（打不出）值高，电阻温度系数小，热输出、热稳定性好，适用于制作在≤500℃工作的自补偿电阻应变计。

6.应变片的粘贴工艺步骤

（1）应变片的检查与选择；

（2）试件的表面处理；（3）底层处理；（4）贴片；（5）固化；（6）粘贴质量检查；（7）引线焊接与组接连线；

四、测量电路

由于弹性元件产生的机械变形微小，引起的应变量（打不出）也很微小，从而引起的电阻应变片的电阻率dR/R也很小。

为了把微小的电阻变化率反映出来，必须采用测量电桥，把应变电阻的变化转换成电压或电流变化，达到精确测量的目的。

1、平衡条件

直流电桥的基本形式如图2.7所示。

电桥平衡条件：

或

。

图2.7电阻电桥

平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为零。

2、平衡状态

（1）单臂直流电桥

输出电压为：

相对线性误差r为：

电桥灵敏度的定义为：

设桥臂比n=R2/R1，由于△R1《R1，分母中△R1/R1可忽略，此时输出电压为：

（2）差动直流电桥（半桥式）

若图2.7中直流电桥的相邻两臂为传感器，即R1和R2为传感器，并且其相应变化为△R1和△R2，则构成差动直流电桥。

输出电压为：

相对线性误差r为：

0

电桥灵敏度的定义为：

比使用一只传感器提高了一倍，同事可以起到温度补偿的作用。

（3）双差动直流电桥（全桥式）

若直流电桥的四臂均为传感器，则构成全桥差动电路。

若满足△R1=△R2=△R3=△R4，则输出电压和灵敏度为

输出电压：

灵敏度：

Sv=E

由此可知，全桥是直流电桥是单臂直流电桥的输出电压和灵敏度的4倍，是半桥式直流电桥的输出电压和灵敏度的2倍。

二.电阻应变片温度误差及补偿

1.温度误差

因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素是：

（1）应变片的电阻丝是具有一定的温度系数。

（2）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。

应变片电阻丝的电阻与温度关系为：

式中，Rt为温度t时的电阻值，R0为温度t0时的电阻值；△t为温度变化值；

为敏感栅材料电阻温度系数。

应变片由于温度变化产生的电阻相对变化为：

另外，如果敏感栅材料线膨胀系数为与被测构件材料线膨胀系数不同，当环境温度变化时，也将引起应变片的附加应变，这时电阻的变化值为：

式中，βe为被测构件（弹性元件）的线膨胀系数，βg敏感栅（应变丝）材料的线膨胀系数。

因此，由温度变化造成的总电阻变化为：

而电阻的相对变化量为：

由上式可知，试件不受外力作用而温度变化时，粘贴在试件表面上的应变片会产生温度效应，它表面应变片输出的大小与应变计敏感栅材料的电阻温度系数

、线膨胀系数βg，以及被测试材料的线膨胀系数βe有关。

2.线路补偿

（1）零点补偿

电桥的电阻应变片虽经挑选，但要求四个应变片阻值绝对相等是不可能的。

即使原来阻值相等，经过贴片后将产生变化，这样就使电桥不能满足初时平衡条件，即电桥有一个零位输出（Uo≠0）。

为了解决这一问题，可以再一对桥臂电阻乘积较小的一桥臂中串联一个小电阻进行补偿。

图2.8零点补偿电路

（2）温度补偿

环境温度的变化也会引起电桥的零点漂移。

产生漂移的原因有：

电阻应变片的电阻温度系数不一致；应变片材料与被测试件材料间的膨胀率不一致；电阻应变片的粘贴情况不一致。

温度补偿方法一般采取用补偿片法和热敏元件法。

（3）弹性模量补偿

弹性元件承受一定载荷且温度升高时，弹性模量要减小，因此导致了传感器输出灵敏度变大，使电桥输出增大。

补偿的方法可使电桥的输出随温度升高而减小。

通常将RE/2分别接入桥路两个输入端，以保证桥路对称。

图2.9温度补偿电路图2.10零漂移补偿电路

【应变片的性能测试】

一.测试目的

1.观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；

2.熟悉箔式应变片和半导体应变片的性能，充分了解两种应变电路的特性；

3.掌握应变片单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况；

4.验证一昂便片单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。

二.测试器材

直流稳压电源+4V、应变式传感器誓言模块、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、半导体应变计、螺旋式测微仪、数字电压表、应变加热器。

三.测试步骤

1.差动放大器调零。

图2.11

2.将图将所需实验部件连接成测试桥路。

3.确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。

调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。

4.用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和乡下移各5mm，每位移1mm记录一个输出电压值。

5.依次将图中的固定电阻R1，换接应变计组成半桥、将固定电阻R2、R3。

换接应变计组成全桥。

6.重复3-4步骤，完成半桥与全桥测试实验。

7.用半导体应变片替换箔式应变片，重复2-3步骤。

8.根据表中所测数据在同一坐标上描出V-X曲线，计算灵敏度S：

S=△V/△X，比较三种桥路的灵敏度，并作出定性的结论。

9.观察改用交流激励电源时应变片的工作特性。

10.注意事项

（1）由于悬臂梁弹性恢复的之后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。

（2）实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开一起后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。

（3）应变片接入桥路时，要注意应变片的受力方向，一定要结成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反则电路无输出或输出很小。

（4）更换应变片时应将电源关闭。

四.测试结果

【电子秤的电路组装与调试】

步骤1确定系统方案

利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式传送到A/D转换器。

其次，由A/D转换电路把由差动放大器电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送A/D转换电路中。

再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。

图2.12系统总体框图

步骤2各单元电路搭建

1.电阻应变式传感器的测量电路

电阻应变片的电阻变化范围为0.0005-0.1欧姆。

所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中最常用的是桥式测量电路，电桥能够精确的测量微小的电阻变化。

测量电桥如图2.13。

2.放大电路

本设计中差动放大电路结构如图2.14所示。

3.A/D转换电路

图2.15放大器与ICL7107的连接

4.显示电路

5.总装电路

图2.17总装电路

步骤3电路调试

1.首先在秤体自然下垂已无负载时调整RP1，使显示器准确显示零。

2.再调整RP2，使秤体承担满量程重量（本电路选满量程为2千克）时显示满量程值。

（调节RP2衰减比）

3.然后在秤钩下悬挂1先科的标准砝码，观察显示器是否现实1.000，如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000。

4.重新进行2、3步骤，使之均满足要求为止。

5.最后准确测量RP2、RP3电阻值，并用固定精密电阻予以代替。

RP1可引出表外调整。

测量前先调整RP1，使显示器回零。

【知识拓展】

一.自感式传感器

1.基本变间隙自感式传感器

基本变间隙自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁组成，结构如图2.18所示。

工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气间隙长度发生变化。

由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。

线圈的电感可用下式表示

，式中，N为线圈匝数，Rm为由铁芯、衔铁与空气间隙三部分组成的总磁阻。

线性化处理后的电感相对增量为：

电感相对增量灵敏度K为：

2.差动变间隙式传感器

如图2.19所示为差动变间隙式低昂干传感器的结构原理图，它采用两个相同的传感器共用一个衔铁组成。

测量时，衔铁通过导杆与被测体相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。

图2.19差动变间隙式电感传感器

差动形式输出的总低昂干变化量竟似为：

电感相对变化量为：

则电感相对增量灵敏度K为：

比较单线圈式和差动式两种变间隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论：

（1）差动式比单线圈式的灵敏度高一倍；

（2）差动式的线性度得到明显改善。

3.螺管型电感式传感器

如图2.20所示为螺管型电感式传感器的结构图。

螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也随之变化，线圈低昂干两的大小与衔铁位置有关，线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度X保持线性关系。

图2.20螺管型电感式传感器

螺管型电感式传感器的灵敏度较低，但量程大且结构简单，易于制作和批量生产，是目前使用最广泛的一种电感式传感器。

二.互感式传感器

互感式传感器根据互感的基本原理，把被测的非电量变化转换为线圈间互感量的变化。

变压器式传感器与变压器的区别是：

变压器为闭合磁路，而变压器式传感器为开磁路；变压器初、次级线圈间的互感为常数，而变压器式传感器初、次级线圈间的互感随衔铁移动而变，且变压器式传感器由两个次级绕组，两个次级绕组按差动方式工作。

因此，它又被称为差动变压器式传感器。

差动变压器结构形式较多，有变间隙式、变面积式和螺线管式等，其中应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1-100mm的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。

1.螺线管式差动变压器

螺线管式差动变压器的基本结构如图2.21所示，它由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。

图2.21螺线管式差动变压器图2.22等效电路

实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出点他并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。

图2.23零点残余电动势

零点残余电压产生原因：

（1）基波分量；

（2）高次谐波。

为了减少零点残余电动势，可采用以下方法。

（1）采用对称结构；

（2）选用合适的测量电路；

（3）采用补偿线路。

2.变间隙式差动变压器传感器

如图2.24所示为变间隙式差动变压器原理图，它巨头灵敏度较高的优点，但测量范围小，一般用于测量几微米到几百微米的位移。

由差别动变压器的特性可知，差动变压器的输出与初级线圈对两个次级线圈的互感之差有关。

结构形式不同，互感的计算方法就有所不同。

II型差动变压器的输出特性为：

式中，

为初始气隙；N1为初级线圈匝数；N2为次级线圈匝数；

为衔铁上移量。

上式表明，输出电压Uo与衔铁位移（打不出）成比例。

式中符号表明

向上为正时，输出电压与电源你点呀反相；

向下为负时，两者同相。

II型差动变压器的灵敏度表达式为：

可见，传感器的灵敏度随电源电压U的增大而提高，随变压比N1/N2和初始气隙的增大而降低。

增加次级匝数N2与增大激励电压U将提高灵敏度。

但N2过大，会使传感器体积变大，且使零位电压增大；U过大，易造成传感器发热而影响稳定性，还可能出现磁饱和，因此常取0.5-8V，并使功率限制在1W一下。

【课外作业】

用电感式传感器制作压力检测仪