电控学院综合实验课程设计题目：称重仪院（系）：电气与控制工程学院专业班级：姓名：学号：指导教师：2014年3月18日称重传感器设计实验报告一．称重传感器项目背景意义：在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种称重传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

称重传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位，现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应，此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的称重传感器是不可能的，许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破，一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

称重传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域，可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

二．方案分析称重传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。

主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路几部分组成。

称重仪的称重模块的硬件由称重传感器、放大器等组成，其原理框图如图1所示。

称重传感器完成重量到电压的变换，被变换的电压经适当放大后，其转换的输出量是计算机能够接受的数字信号。

三．硬件部分 1. 硬件原理框图图1称重仪原理框图2.称重传感器的转换电路。

一般将粘贴在弹性体上的电阻应变计连接成差动式惠斯登电桥,见图3。

由于差动式惠斯登电桥的灵敏度高,各臂参数一致,各种干扰的影响可以相互抵消,而且还可以方便地解决称重传感器的补偿问题,所以称重传感器均采用箔式双轴片连接成的差动式惠斯登电桥作为测量电路。

在图3所示电路中,R1、R2、R3、R4为应变电阻,Ui 为激励电压,Uo 为输出电压,根据以上分析,可以得出Uo 的输出表达式为: Uo=Ui(R2R4-R1R3)/(R1+R2)(R3+R4) （1）当R1R3=R2R4时,电桥平衡,压力传感器测量放大电路报警 电路此时Uo=0。

在组桥时,令R1、R3的阻值随弹性体的变形而减小;R2、R4的阻值随弹性体的变形而增加,其变化量分别为:△R1、△R2、△R3、△R4,则称重传感器受负荷作用时,其输出Uo 可用下式描述: Uo=Ui ×R2R4/(R2+R4)²×(△R1/R1 +△R2/R2+△R3/R3+△R4/R4) （2）式（1）适合计算称重传感器未受载荷作用时的零点平衡输出;而式（2）适合计算称重传感器受载荷作用时的输出电压。

图3 全桥电路称重传感器利用应变测力原理，通过弹性元件将力以形变的形式传递给应变片。

本实验使用的压力测量传感器结构如图2所示，它是一种典型复合悬臂梁结构，双连孔弯曲梁作为弹性元件。

在弹性元件上粘上一组应变片形组成应变电桥，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面上，可组成全桥电路，如图3所示。

当载荷W 作用时，弹性体受力发生形变，12R R 、受拉伸，阻值增加；34R R 、受压缩，阻值减小，电桥因桥臂电阻的变化而失去平衡，输出与荷重成正比的电压信号,其输出电压与重力W 的关系为：11U K W = 式中1K 为重力传感器的转换系数，1K E G μ=⨯其单位为mV/Kg 。

紧固螺钉秤盘F引线支撑快应变片R1应变片R2秤盘支撑快应变片R3应变片R4底板弹性梁图2 实验中使用的称重传感器结构本实验中重力传感器的量程G是5Kg，灵敏度系数 约为1mV/V，桥压U为10V。

3.报警电路设计当称重传感器受力时，应变片产生形变，以致其阻值也发生变化，在应变片桥臂上施加电压，就会有电压输出，即输出与受力成正比的电压信号。

此信号经信号放大器放大到合适的幅度后送入比较电路。

当放大器的输出电压大于比较电压时，就输出高电平，则报警电路可以正常工作，如果放大器的输出电压小于比较电压，则输出低电平，报警电路无法正常工作。

比较电路的比较器实现的性能是110%过载通过声和光的方式报警。

报警原理的原理是称重传感器的检测电路一般均采用全桥式等臂电桥,这种电路具备很多优点,如能够克制温度变化的影响,克制侧向力搅扰,比较方便地处理称重感器的弥补问题等。

称重传感器检测电路的性能是把电阻应变片的阻值的变化转变为变化的电压值输出。

称重的电路原理决定的电路称重传感器的安全过载报警最终是经过振荡器的信号接收产生振荡最后在喇叭里发出警报声。

对于任何一种称重传感器他们的安全过载保护的原理是一样的。

4.显示部分：四：传感器的调试在我们组的调试过程中，我主要负责电阻应变式传感器的测量电路和传感器测量范围精确度的调试首先，我查看的资料显示电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。

因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。

其转换电路常用测量电桥。

我发现直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

E接直流电源E：下图为一直流供电的平衡电阻电桥，in)(434211R R R R R R E +-+=))((43214231R R R R R R R R E ++-∙3421R R R R =[][][])()()()()()(22R R R R R R R R ER R R R uo ∆-+∆+∆-+∆+∆--∆+=E RR ∙∆=图2.6 传感器结构原理图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

我忽略电源的内阻，通过分压原理计算得： AD AB BD o u u u u -===（2.2）当满足条件R1R3=R2R4时，即（2.3）o u =0，即电桥平衡。

从这里我得知应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

我又想到了我们学过的差动电路，因此我又计算了关于差动电路的一些参数。

若差动工作，即R1=R -△R,R2=R+△R,R3=R-△R ，R4=R+△R,按式（2.2），则电桥输出为E k ε= (2.4)按照以前学到的知识可以知道常规的电阻应变片K 值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—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E，另一个对角线为输出电压Uo。

其特点是：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，我利用万用表测量，结果说明我们的电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

我们这次设计中采用的是电阻丝应变片，电阻应变片会有误差，产生的因素很多，因此我测量时很注意。

其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：A.电阻丝温度系数引起的。

B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以传感器必须进行温度补偿，我解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。

而且我发现非线性误差是传感器特性中最重要的一点。

资料上产生非线性误差的原U0因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。

滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

测量电路中，我们将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U out＝KEε。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

调整测量范围的精确度第一步，将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RP1使数显表显示0.00V。

第二步，将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rp3,使数显表显示为0.200V或-0.200V。

第三步，拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RP4，使数显表显示为0.000V。

重复第二三步的标定过程，一直到精确为止，把电压纲V改为质量量纲g，就可以称重，是指成为一台原始的电子称。

传感器偏载误差的调整偏载产生原因，传感器由于贴片位置的误差，以及尺寸不一致性，也就出现了偏载误差。

电子计价秤传感器偏载误差，是指在秤盘的中心加一重物与在秤盘偏离中心位置上加同一重物其称量输出不一致带来的误差。

由于传感器在贴好贴片之后贴片位置的误差是无法调整的。

从平行梁受力变形原理上看，可以将贴片位置误差带来的偏载归结为尺寸不一致带来的影响，这样我们只需做尺寸上的修正。

三种补偿1．零点补偿当采用两个箔式双轴片连接成差动式惠斯登电桥时,各桥臂电阻很难做到绝对一致。

即使精挑细选出电阻值相等的应变计,经过贴片过程,电阻值还会发生一定变化,所以其桥路不平衡是绝对的。

使称重传感器在不承重时的输出Uo等于零所进行的调整即为零点补偿,零点补偿的方法有桥臂中串联电阻法、并联电阻法和外加电压法3种,我们采用的是串联电阻法。

串联电阻法零点补偿的步骤首先是决定零点补偿电阻应串入哪一个桥臂,其次是决定这个电阻值应该是多大,然后决定绕制这个电阻的锰铜丝应该多长,最后用双线无感绕法绕好。

经老化处理后再接入传感器桥路,由实验作精细调整。

2．零点温度补偿称重传感器在不承重时的输出,随温度变化而变化,通常叫做零点温度漂移。