电子称重传感器及信号调理电路.docx

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电子称重传感器及信号调理电路

电子称重传感器及信号调理电路

燕山大学

课程设计说明书

题目：

精密四应变片称重传感器信号调理电路设计

学院（系）：

电气工程学院

年级专业：

XX

学号：

XX

学生姓名：

XX

指导教师：

XX

教师职称：

XX

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：

基层教学单位：

学号

Xx

学生姓名

Xx

专业（班级）

Xx

设计题目

精密四应变片称重传感器信号调理电路设计

设

计

技

术

参

数

设

计

要

求

工

作

量

工

作

计

划

参

考

资

料

指导教师签字

基层教学单位主任签字

说明：

此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

年月日

燕山大学课程设计评审意见表

指导教师评语：

成绩：

指导教师：

年月日

答辩小组评语：

成绩：

组长：

年月日

课程设计总成绩：

答辩小组成员签字：

年月日

第1章摘要…………………………………………………………………………………1

第2章引言…………………………………………………………………………………2

第3章基本原理……………………………………………………………………………3

第4章参数设计及运算……………………………………………………………………5

4.1结构设计……………………………………………………………………………5

4.2电容设计与计算……………………………………………………………………8

4.3其他参数的计算…………………………………………………………………10

4.4测量电路的设计…………………………………………………………………12

第5章误差分析…………………………………………………………………………14

第6章结论………………………………………………………………………………16

心得体会……………………………………………………………………………………17

参考文献……………………………………………………………………………………18

第1章摘要

在分析重力传感器信号特性的基础上，模块化地设计了称重传感器信号的调理电路并对其进行了仿真实验。

结果表明：

电路能实时、准确地处理信号，且工作稳定，可靠，重复性好，抗干扰能力强，可实现精密测量的目的。

第2章引言

随着现代数据采集系统的不断发展，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。

由于传感器输出的信号往往存在温漂、信号比较小及非线性等问题，

因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，这样一来，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，并且其电路设计的优化程度直接关系

到数据采集系统的精度和稳定性。

在称重传感器信号检测中，检测精度受到诸多因素的影响，其中电桥激励电压源的精度和稳定度是影响信号精确度的重要因素之一。

电桥输出与激励电压成正比，因此，激励电压出现任何漂移都将导致电桥输出出现相应的漂移。

并且现场工作环境恶劣，可能存在粉尘、振动、噪声以及电磁干扰等，称重传感器输出的几百微伏至几十毫伏信号极易受到干扰。

所以研究抗干扰能力强、实时性好的信号变送和传输技术对保证检测精度具有重要意义。

第3章电路结构设计

3.1信号处理电路的要求分析

测量电阻有两种简单的方法：

一种是在电阻上通过恒定电流，并测量电阻两端的电压，这需要精密电流源和精密电压表。

电流的任何变化都将视为电阻的变化。

此外，阻性传感器的功耗尽可能的小，以确保自身散热不造成误差。

另一种是利用电阻电桥测量微小电阻变化，电桥由连成四边形的四个电阻组成，其中一个对角接激励电压源，而另一个对角接电压检测器，检测器将测量两个分压电阻中点间的电压。

这种电桥电路在实际中可以根据输出电压直接观测出电阻差。

第一种方法要求驱动电流必须小，但是这又限制了该方法的测量精度。

根据设计要求精密四应变片称重传感器应采用流行的电压驱动型电桥,既第二种方法,这样就确保了检测信号的精确度和线性度。

3.2信号处理电路的结构设计

综合了称重传感器信号特性及仿真实验，按第二种方法设计了调理电路，其结构如图1所示。

其中称重传感器采用传感器，提高检测精度和使加卸载曲线对称；调理电路采用5V参考电压芯片AD588，使输出为符合设计要求的电压输出，精密齐纳二极管型参考源AD588对温度变化具有极低的激励漂移和增益。

调理模块采用精确度高、使用简易、噪声低的仪用放大器AD620.保证了信号调理器的精确度和稳定度。

图1信号调理模块结构图

传感模块

全器件变化电桥通常采用分立设计,并组装在一个模块内.当对这类电桥进行调理时,必须采用特殊的技术以确保精度.

特别需要注意的是必须确保电桥激励电压源的精度和稳定度.电桥输出与激励电压成正比,因此激励电压出现任何漂移都将导致电桥输出出现相应的漂移.

因此,我们设计的精密四应变片称重传感器的电桥具有六个引脚:

两个与电桥输出端相连,两个与电桥激励源相连,还有两个是传感器引脚.为了充分利用传感器单元额外引脚带来的精度补偿,设计出了开尔文（或称4线）传感电路.它采用六线电压驱动型连接和精密运放,将导线电阻引起的误差降至最低,其结构如图2.所示.

图2开尔文传感器系统

该电路中激励电压VB并未驱动电桥,而是先与上精密运放的输入端相连,该运放在电桥的（+）输入端构成反馈回路.尽管在+FORCE引脚处会受远程电缆电阻的影响而出现明显压降,但是通过运放+SENSE引脚的反馈回路将自动校正.该反馈网络的功能是保持远程电桥上节点电压为精确的VB.下精密运放驱动电桥的（-）输入端于此类似.同样的,-FORCE引脚处的压降将被来自-SENSE引脚的反馈校正.

在这两种情况中,传感器引脚都与运放的高阻抗输入端相连,因此能够最大限度的减小因偏置电流在导线电阻上引起的压降.运放能确保传感器引脚（+）和（-）始终等于VB,从而保证远程电桥所需的激励电压精确不变.

开尔文传感器电桥能有效抑制因导线电阻引起的误差.

稳压模块

稳压模块主要由比较先进的精密齐纳二极管型参考源AD588构成,AD588具有较低的初始误差,对温度变化具有极低的激励漂移和增益,用于精密测量,能够为系统提供5V的稳定的参考电压.

电流缓冲模块

在设计开尔文传感电路时,有一点非常特别.因为驱动-FORCE引脚可能要求运放输出为负电压,所以电路中的下运放必须采用双电源供电.电路中的电流相对较大（约30mA）所以该电路在运放输出端最好增加电流缓冲级.

参考源、传感器电阻以及运放的精度都将影响系统总体精度.虽然对运放的精确度要求是众所周知的,但是对运放输出电流的要求可能就被忽视了.通常要求电流大于数毫安（与标准的350Ω电桥相连）.此时也需要运放缓冲.

因此为了使该电路获得最高的精度,最好使用缓冲器.由于该电桥信号是单向的,因此采用简单的一个三极管就可以实现缓冲.

在这里我们使用2N2219A型的三极管作为缓冲器,与OP177构成反馈回路,并提供电桥所需的驱动电流.该结构能确保运放的性能不受影响.

高精度放大器模块

　在许多现代电子设备中,如数据采集系统、医疗仪器、信号处理系统等需要对弱信号进行高精度处理的场合,都较普遍地采用了仪器放大器,常用的仪器放大器有传统的三运放仪器放大器和单片仪器放大器,因单片仪器放大器具有高精度、低噪声及易于控制、设计简单等特点而成为设计者优选的对象。

作为著名的模拟电路及数模混合电路的制造商AD公司为设计者提供了许多性能优良的单片仪器放大器芯片,如AD524、AD620、AD624等已广泛应用到各种电路设计之中,这些芯片的电气性能指标各不相同,但设计方法大同小异。

在我们设计的信号调理电路中采用了增益范围较大,且精度较高的AD620芯片作为高精度放大模块。

其结构如图3所示:

图3AD620结构功能框图

AD620BN特点

∙易于使用

通过一个外部电阻设置增益

（增益范围：

1至10000）

宽电源电压范围（±2.3V至±18V）

具有比三运放IA设计更高的性能

提供8引脚DIP和SOIC封装

低功耗,最大电源电流为1.3mA

∙低噪声

输入电压噪声：

9nV/√Hz（1kHz）

0.28µV峰峰值噪声（0.1Hz至10Hz）

∙出色的直流性能（B级）

输入失调电压：

50µV（最大值）

输入失调漂移：

0.6µV/°C（最大值）

输入偏置电流：

1.0nA（最大值）

共模抑制比：

100dB（最小值,G=10）

∙出色的交流特性

带宽：

120kHz（G=100）

0.01%建立时间：

15µs

AD620BN技术指标如表1.

表1

Single/DualSupply

Dual

VnoiseRTI1-10HzµVp-p

0.28µVp-p

VoltageSupply（Vmax）

±18V

TemperatureRange

-55to+125

GainSettingMethod

Resistor

GainError（%）max

+0.3%

GainRange（mintomax）

10000

SupplyCurrent

1.3mA

BandwidthG=10（kHztyp）

800kHz

Package

DIP,SOIC

CMRR（dB）

93dB

Vosi（µV）

30µV

AD620为一个低成本,高精度的单片仪器放大器,为8脚SOIC塑封外形（图4）。

该放大器的特点为，差动输入，单端输出。

电压增益可由一个电阻RG来确定,且增益连续可调,并有效地解决了后级负载对地连接的问题。

Al、A2组成了同相高输入阻抗的差动输入，差动输出,并承担了全部的增益放大任务。

由于电路结构对称，增益改变时,输入阻抗不变。

反馈电阻R1=R2=24.7k，放大器A1、A2的共增益、失调、漂移等误差均得到了相互补偿．后级A3的增益为1，具有较高的共模抑制比和抗干扰能力。

尽管AD620由传统的三运算放大器发展而成,但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计,如电源范围宽（±2.3～±18V）,设计体积小,功耗非常低（最大供电电流仅1.3mA）,因而适用于低电压、低功耗的应用场合。

　　AD620的单片结构和激光晶体调整,允许电路元件紧密匹配和跟踪,从而保证电路固有的高性能。

AD620为三运放集成的仪表放大器结构,为保护增益控制的高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入,并采用B

工艺获得更低的输入偏置电流,通过输入级内部运放的反馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。

AD620的两个内部增益电阻为24.7KΩ,因而增益方程式为

（1）

对于所需的增益,则外部控制电阻值为

（2）

RG为外部增益调正,可在放大器的脚l和脚8之间跨接此高精度电阻来满足所需要的放大倍数.采用放大器AD620,增益误差可≤0.01％，非线性≤0.002％。

AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，使AD620特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。

从电路技术性能上来分析,AD620实际上是一种低功耗、高精度仪器用、宽带集成运算放大器。

第4章参数的计算

基本惠斯通电桥如图5所示:

图5惠斯通电桥

其输出电压为:

（3）

平衡时

如果

那么

B=10V的激励,输出电压也只能变化数十毫伏.

很多电桥应用中,通常变化的电阻不止一个,有可能是两个,甚至四个都变.而我们设计的是四应变片传感器,也就是说所有的元件都发生变化,其变化如图6所示:

图6全器件变化型电桥

其输出电压为:

（4）

应变片材料选用康铜,其灵敏度系数为1.9～2.1,取K=2;应变片电阻选用标称值为

的电阻;根据设计要求应变范围为0.1～10000

;则由公式

（5）

得

所以我们选用

的变阻器来模仿应变范围为0.1～10000

的应变片.

由公式（4）得

根据设计要求信号调理电路的输出电压的范围为0～2.5V,根据

有仪用放大器的增益

根据公式

（2）得

在我们设计的电路中选用一个固定的电阻

和一个变阻器

串联作为

选用1%的值为

的标准电阻,

选用

的变阻器。

通过调节

的大小，可以获得所需的增益。

第5章误差分析

5.1AD620的误差分析

当仪表放大器工作在较高增益时，输入级的增益也提高。

由于增益提高，输入级贡献的误差被放大，而输出级误差没变。

因此，在高增益条件下，输入级误差起主要作用。

输入误差是由于放大器的输入级单独贡献的误差；输出误差是由于放大器的输出级引起的误差。

我们常常将与输入端相关的误差分类和组合在一起，称作折合到输入端（RTI）误差，而将所有与输出端相关的误差则称之为折合到输出端（RTO）误差。

对于给定的增益，仪表放大器的输入误差和输出误差可使用以下公式计算∶

RTI总误差=输入误差+输出误差/增益

RTO总误差=增益×输入误差+输出误差

失调误差

可以利用在AD620BN的技术指标页中列出的具体误差计算工作在增益为25时的总失调电压误差。

因为表中列出AD620（VOSI）的输入失调电压典型值为30μV，它的输出失调电压（VOSO）为400μV，所以RTI总失调电压等于∶

RTI总误差=VOSI＋（VOSO/G）

=30μV＋（400μV/25）

=30μV＋16μV

=46μV

RTO总失调电压等于∶

RTO总误差=G×VOSI＋VOSO

=25×30μV＋400μV

=1150μV

应当注意RTO误差值比RTI误差值大25倍。

从逻辑上讲，这应当是对的。

因为当增益为25时，该仪表放大器的输出误差应当是其输入误差的25倍。

噪声误差

RTI和RTO噪声误差的计算方法与失调误差的计算方法相同，即：

输入噪声=eni，输出噪声=eno

RTI总噪声=

RTO总噪声=

AD620BN的噪声典型值规定为eni＝9nV/√Hz和eno＝72nV/√Hz。

因此，AD620BN工作在增益为25条件下的RTI总噪声和RTO总噪声计算如下：

RTI总噪声=

RTO总噪声=

当增益为25时，该仪表放大器的RTO总噪声应当是其RTI总噪声的25倍。

5.2电桥电阻的线性误差

单元件变化时

电桥终点线性度误差

我们设计的电桥为四应变片电桥,且对角的两个元件向相同方向变化,变化量相同,一个对角上增大,另一个对角等值减小。

电阻产生的线性误差相互抵消，所以电桥总的线性误差为0。

5.3OP177误差分析

最大

最大

非线性

0.1～10Hz噪声

第6章结论

对设计出来的电路进行仿真后电路图如图7所示:

图7multisim仿真图

并得出实验数据如表2:

根据表2中的数据以及设计要求,当应变在0.1～10000με变化时,输出电压范围为0.00000～2.50010V,实验结果在允许误差范围之内,满足线性要求.

心得体会

测控电路作为我们的主要专业课之一，在这次课程设计中我发现自己在一点一滴的努力中对电路设计的兴趣也在逐渐增加。

这次测控电路课程设计我们历时两个星期,对我来说学到的不仅是那些知识，更多的是团队和合作。

现在想来，也许学校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能!

在两个星期后的今天我已明白课程设计对我来说的意义，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，虽然我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的也会更多!

作为一名检测专业的大三学生，我觉得做测控电路课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。

在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？

如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？

我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。

为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。

其次，在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：

multisim仿真软件、MicrosoftVisio绘图、模拟和数字电路知识等。

虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。

我觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。

小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。

参考文献

1强锡富.传感器.机械工业出版社，2001年

2李科杰.新编传感器技术手册.国防工业出版社，2002年

3贾伯年.传感器技术.东南大学出版社，1992年

4杨宝清.孙宝元.传感器及其应用手册.2004年

5单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用.国防工业出版社.1999年

自动检测技术及仪表课程设计报告

题目：

称重式传感器

学院:

信息工程与自动化学院

专业：

测控

年级：

2006

姓名：

徐文龙

学号：

200610402102

2010年5月10日

设计类容摘要：

一、称重传感器的基本知识

二、称重传感器的工作原理

三、SBC悬臂梁称重传感器的测量原理

四、SBC悬臂梁称重传感器的构造原理

五、称重传感器参数

六、工作电路原理图

七、使用注意事项

八、选用称重传感器

九、称重传感器小知识

十、总结体会

十一、参考资料

内容：

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，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域

宣威火力发电厂称重式给煤机，属于称重式给煤机。

在主传动装置的从动轮处安装有测皮带张力的装置，称重传感器与称重托辊直接连接，在给煤机进料口缓冲托辊下装有料仓煤位检测装置。

该称重给煤机上装有专用的料仓煤位检测装置，测量料位准确；称重传感器与称重托辊直联，可提高传感器的使用精度；手动挂码检验方便，精度高；在输送机尾部安装一个测皮带张力装置，可以测出由于热胀冷缩而引起的皮带松紧程度，然后通过仪表对称重精度进行补偿，可以提高称量精度；给煤机上装有料仓煤位检测装置，在料仓下检测煤位，可以准确知道料仓的煤位；称重托辊与称重传感器直接相联，可提高称量精度；方便的手动挂码校验，校验准确。

这种火力发电厂称重式给煤机，它包括壳体、主传动装置、皮带、清扫装置和称量装置，其特征在于：

在主传动装置的从动轮处安装有测皮带张力的装置，称重传感器与称重托辊直接连接，在给煤机进料口缓冲托辊下装有料仓煤位检测装置。

这种传感器就是SBC悬臂梁称重传感器。

一、称重传感器的基本知识

1.定义：

考虑到使用地点的重力加速度（g）和空气浮力（f）的影响后，通过把其中一种被测量（质量）转换成另外一种被测量（输出）来测量质量的力传感器。

被测量（质量）称重传感器输出

2.组成

敏感元件+传感元件+测量电路

其中：

敏感元件——电阻应变计；传感元件——弹性体；测量电路——惠斯通电桥

二、电阻应变计工作原理

以金属材料为转换元件的电阻应变计，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻——应变效应。

所谓应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。

如下图所示：

1.受力前（F=0）电阻值

R=ρ*L/S

（1）

式中R——金属丝的电阻（Ω）；ρ——金属丝的电阻率（Ω*M）；

L——金属丝的长度（m）；S——金属丝的横截面积（m2）（πD2/4）

D——金属丝的直径（m）

2.受力后（F＞0）电阻变化值

⊿R=R*Kε

（2）

式中⊿R——电阻变化量；R——原始电阻值；

K——应变计的灵敏系数；ε——轴向应变

结论：

金属丝拉伸，电阻值增加；

金属丝压缩，电阻值减小

三、称重传感器的工作原理

1.两个典型的力学模型

当F＞0时，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被压缩，阻值减小。

2.惠斯顿电桥

在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥电路。

测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。

电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当Ui为直流时该电桥为直流电桥。

电桥电路如上图所示，它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成。

1）直流电桥的电压输出

根据分压原理，从D-A-C半桥来看，从D经A到C的电压降为Ui，通过R1、R2的电流

I1=Ui/（R1+R2）

（1）

R2上的电压降为I1R2，代入

（1）得

UAC=Ui*R2/（R1+R2）

（2）

同样，D-B-C半桥的电压降也是Ui，R3上的电压降为：

UBC=Ui*R3/（R3+R4）（3）

则输出电压UO是UBC与UAC之间的差，即

R1R3-R2R4

UO=UBC-UAC=Ui（4）

（R1+R2）（R3+R4）

由（4）可知，当桥臂电阻满足如下条件时，即

R1R3=R2R4（5）

电桥的输出电压UO=0，电桥处于平衡状态。

为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（置零），这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。

2）按上述力学模型解释：

当F=0时，R1R3=R2R4；U0=0；

当F＞0时，R1、R3增加，R2、R4减小，U0＞0。

若欲得到与上述电信号相反的结果时，只需将A与C（或B与D）之间的电源正、负极互换即可。

3）当桥臂电阻的阻值发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化，当⊿R<

称重传感器的补偿

一、常见补偿内容：

1.零点不平衡输出调整；2.零点温度补偿；3.弹性模量补偿；4.非线性补偿；5.灵敏度补偿；6.输入电阻调整；

二、补偿原理

R1~R4：

桥路应变计电阻；（常规为350Ω）作用：

直接感受弹性体的应变。

RZ：

零点补偿电阻；作用：

把空载输出信号调整到要求范围；

材料：

康铜丝（电阻温度系数小）；特性：

对温度不敏感

RT：

零点温度补偿电阻；作用：

把空载下因环境温度的变化而引起的漂移加以补偿；材料：

镍电阻特性：

对温