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《传感器与检测技术》课程设计
课程设计任务书及指导书
设计题目
《压力测量仪的设计》
设计目的
使同学们掌握金属箔应变片组成的称重传感器的正确使用方法;了解压力测量仪的工作原理及其在电子天平中的应用。
通过设计、安装、调试电路等实践环节,提高学生的动手能力,提高分析问题、解决问题的能力。
设计任务
学生根据设计要求完成设计与测试。
在完成设计后书写课程设计报告。
时间安排 2005年12月5日至2005年12月30日
设计内容
压力测量仪由以下五个部分组成:传感器、传感器专用电源、信号放大系统、模数转换系统及显示器等组成。其原理框图如图1所示:
图1 压力测量仪组成框图
(1) 传感器测量电路
称重传感器的测量电路通常使用电桥测量电路,它将应变电阻值的变化转换为电压的变化,这就是可用的输出信号。
电桥电路由四个电阻组成,如图2所示:桥臂电阻R1,R2,R3和R4,其中两对角点AC接电源电压USL=E(+10V),另两个对角点BD为桥路的输出USC,桥臂电阻为应变电阻。
R1R4=R2R3时,电桥平衡,则测量对角线上的输出USC为零。当传感器受到外界物体重量影响时,电桥的桥臂阻值发生变化,电桥失去平衡,则测量对角线上有输出,USC≠0。
图2 传感器电桥测量电路
(2) 放大系统
压力测量仪的放大系统是把传感器输出的微弱信号进行放大,放大的信号应能满足模数转换的要求。该系统使用的模数转换是3位半A/D转换,所以放大器的输出应为0V ~ 1.999V。
为了准确测量,放大系统设计时应保证输入级是高阻,输出级是低阻,系统应具有很高的抑制共模干扰的能力。
(3) 模数转换及显示系统
传感器的输出信号放大后,通过模数转换器把模拟量转换成数字量,该数字量由显示器显示。显示器可以选用数码管或液晶显示器
(4) 传感器供电电源
有恒压源与恒流源
对于恒压源供电:参考图2,设四个桥臂的初始电阻相等且均为R,当有重力作用时, 两个桥臂电阻增加△R,而另外两个桥臂的电阻减少,减小量也为△R。由于温度变化影响使每个桥臂电阻均变化△RT。这里假设△R远小于R,并且电桥负载电阻为无穷大,则电桥的输出为:
USC= E*( R+△R+△RT)/( R-△R+△RT +R+△R+△RT)- E*( R-△R+△RT)/( R+△R+△RT +R-△R+△RT)= E*△R/(R+△RT)
即 USC= E*△R/(R+△RT) 式(1)
说明电桥的输出与电桥的电源电压E的大小和精度有关,还与温度有关。
如果△RT=0,则电桥的电源电压E恒定时,电桥的输出与△R/R成正比。
当△RT≠0时,即使电桥的电源电压E恒定,电桥的输出与△R/R也不成正比。这说明
恒压源供电不能消除温度影响。
对于恒流源供电:供电电流为I,设四个桥臂的电阻相等,则
IABC=IADC=0.5I
有重力作用时,仍有
IABC=IADC = 0.5I
则电桥的输出为:
USC= 0.5I*(R+△R+△RT)- 0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R 即 USC= I*△R 式(2)
因此,采用恒流源供电,电桥的输出与温度无关。因此,一般采用恒流源供电为好。
由于工艺过程不能使每个桥臂电阻完全相等,因此,在零压力时,仍有电压输出,用恒流源供电仍有一定的温度误差。
四、设计提示
(1) 放大电路设计
首先,由于传感器测量范围是0 ~ 2Kg,灵敏度为1mV/V,其输出信号只有0 ~10mV左右;而A/D转换的输入应为0V ~ 1.999V,对应显示0 ~ 1.999Kg,当量为1mV/g,因此要求放大器的放大倍数约为200倍,一般采用二级放大器组成。
其次,在电路设计过程中应考虑电路抗干扰环节、稳定性。选择低失调电压,低漂移,高稳定性,经济性的芯片。电源电压±12V或±15V。
最后,电路中还应有调零和调增益的环节;才能保证电子电平没有称重时显示零读数;测压力时读数正确反映被测压力。
(2) 传感器专用直流稳压电源:
传感器要求的电源是+10V电压。对于给定的传感器其输入电阻为400Ω;输出电阻为350Ω。采用恒流源比采用恒压源可以减小非线性误差,因此本实验中要求恒流源供电,即电流在25mA左右的恒流源。
(3) 按照要求查阅相关电路和元器件功能的资料,完成传感器恒流源、放大电路A/D转换及显示电路的设计,画出电路图。
(4) 电路调试
将+10V电压接到传感器的输入端,测量传感器的输出。在空载时,传感器的输出应为零,但由于有一个称盘,输出不为零,记下初始数据,然后
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