电阻应变片测重量.docx

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电阻应变片测重量

应变片测量

一、系统组成框图

电阻应变式传感器是应用广泛的传感器之一。

将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器具有结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测，灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量，可以测量多种物理量等诸多优点，已广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑等领域。

本课题采用的是以8051系列的AT89C2051单片机为核心开发电阻应变片重力测试的系统。

系统硬件原理框图如图1-1：

系统框图如图2-1所示，电阻应变式传感器采集到重力信号传送给LM324集成运算放大器，LM324集成运算放大器是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

经过A/D转换，将转换的数字信号发给显示电路显示，显示电路是由四位独立数码管组成。

二、电阻应变片重力测试原理

电阻应变片简介：

电阻应变片作为传感元件，将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，应变片也随之变形而使应变片的电阻发生变化。

电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片，其工作原理是基于电阻应变效应。

电阻应变片的测量原理为：

金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。

将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。

dR/R=Ks*ε

其中，Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。

ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。

由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。

三、电阻应变式传感器重力测试系统的单元电路介绍

1、电阻应变式传感器的介绍、结构和类型

电阻应变式传感器（straingaugetypetransducer）以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。

电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。

弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。

电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

图3-1 电阻应变片的基本结构

1-基底;2-敏感栅;3-覆盖层;4-引线

2、电阻应变式传感器的测量电路

常规的电阻应变片K值很小，约为2，，机械应变度约为0.0001—0.001.所以,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，在电阻应变片传感器中做常用的是桥式测量电路。

桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压U0，。

起特点是：

当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确的测量微小的电阻变化。

电路图如下图所示：

其中R1=R2=R3=R4=350Ω

3、A/D转化器（ADC0809）

A/D0809是一个带有8路=位A/D转换器，8路多路开关以及微处理兼容的控制逻辑CMOS组件。

ADC0809的内部逻辑结构:

引脚结构:

4、ADC0809应用说明

1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与8051直接相连。

2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。

3）送要转换的哪一个通道的地址到A,B,C端口上。

4）在ST端给出一个至少有100ms宽的正脉冲信号。

5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据被输出给单片机。

四、电阻应变式电子称电路设计

1、供电电源设计

称重传感器的电源是由2个OP-07和互补对管Q1与Q2组成称重传感器的第二级稳压电源，如图所示。

这一级起到高精度稳压作用，其原理：

（1）

15V的三端稳压集成电路作为预稳压电源。

（2）选用低温漂特性的运放OP-07，以降低运放受温度影响所产生的温漂。

（3）从图可见，

两个运放的输入端均接于精密电压基准源MC1403的输出端上而被钳位，可以认为

输出电压的误差不会来自输入端。

（4）Q1与Q2是一对互补对管，

的负反馈电路分别通过这对互补管的发射极。

当温度上升时，

的输出电压上升，Q1的

上升，

上升。

但是

得输出电压也随之上升，导致Q2的

电压下降，

增大，使

下降，

维持了动态平衡；反之亦然。

（5）由于正负三端稳压电源的作用，以及由

和

组成的对称电源结构，称重传感器电桥在无负载时

。

并且由于高阻抗使电桥产生浮地效果，完全免除地线带来的干扰。

综上述处理是传感器电桥电压达到十分稳定的效果，如果电桥的四臂应变片的阻值相等，由于受到压力使电桥对臂阻值同时增大和减小，则电桥电压的精度将直接传递到电桥输出端。

图4.运算放大电路

2、称重传感器调零电路

图2.中标ABCD部分是称重传感器全桥电路。

电桥输出端对角线上接一个10

电位器，滑动端通过100

电阻接与电桥电源负端。

这是为了客服制造工艺不完全对称性而设计的，同时兼做去皮重电路。

调节

可使

电位差等于10V，

的输出范围为0-15mV。

3、放大电路

放大电路是由四个ICL7650组成差分输入单端输出的专用仪表放大电路。

放大电路主要特点是：

（1）采用ICL7650斩波自温零高精度放大器，能比较好的抑制共模电压干扰。

（2）双端输入分别进入测量放大器的同相端，所以输入阻抗大，能克服电桥传感器输出阻抗低的特点。

（3）极低的温漂系数。

（4）加一级低通有源滤波器以滤除由于放大器ICL7650内时钟斩波频率引起的尖峰脉冲干扰。

调整

使放大倍数为：

（10）

图5.放大电路

4、V/F转换电路

V/F控制的原理是产生一个震荡频率的电路叫做压控震荡器，是一个压敏电容，当受到一个变化的电压时候它的容量会变化，变化的电容引起震荡频率的变化，产生变频。

LM331是性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。

LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。

LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。

本系统采用电压/频率转换器LM331。

其特点是：

体积小，精度高，价格低，串行输出，占用CPU的I/O线少。

其最突出的不足之处是转换速度慢。

以下是LM331一些主要技术指标：

（1）最大线性度0.01%，

（2）满量程频率范围1HZ～100KHZ

图6 LM331的简化功能框图

工作原理：

图6为电压/频率转换器LM331的简化功能框图。

内能隙基准电路产生1.9V直流电压,送到2脚,外接RS形成基准电流I=1.9/RS。

（I=50～500uA）。

输入电压Vin送比较器，引脚6通常与1脚连接，当K合上后流过恒电流在RL上产生压降VX作为阈值电压。

在单脉冲定时器上设有定时比较器，一个输入端恒接2/3VCC作为参考电压，另一个输入端接引脚5。

V5>2/3VCC单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止。

复位后使引脚5与地短接，电容C1上的电荷释放，电压下降。

使V5<2/3VCC,这个单脉冲定时器的定时周期为：

t=1.1R1C1。

输入电压Vin送比较器与VX进行比较.因为K合之前VcL=0,则Vin>VX,输入比较器使RS触发器产生启动信号使K闭合,基准电流向CL充电。

使VX上升，直至VX>Vin。

输入比较器翻转,迫使单脉冲定时器产生复位信号使K断开,CL向RL放电,使VX

然后输入比较器再次启动定时器，开始下一次循环。

波形分析：

单脉冲定时器内部的RS触发器产生复位信号使K断开,又迫使驱动晶体管截止，使V3为高点平，VX

基准电流向CL充电。

使VX上升，直至VX>Vin。

此时驱动晶体管导通。

从波形图看，VX>Vin后，要关闭K是发生在V5>2/3VCC时刻，而使驱动晶体管截止是在VX

对CL充电平均电流：

IAVE=i*t*Fout ，CL对RL放电电流VX/RL=Vin/RL。

显然，LM331工作时：

充电平均电流=放电电流:

     （11）

图7 LM331的工作波形

图8.V/F转换电路图

当前，12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵，用V/F变换器来代替A/D转换器，在要求速度不太高的场合是一种较好的选择。

从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA126放大到0～10V后加到V/F变换器LM331的输入端，从频率输出端fo输出的频率信号加到单片机的输入端T1上。

根据分辨率的要求利用软件处理，最后得到A/D转换的结果。

所以我们决定采用LM331芯片V/F转换作为信号转换的方案。

5、单片机电路

（a）AT89C52简介

图9.AT89C52芯片引脚图

芯片功能介绍及设计：

AT89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

此外，AT89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止