压力测量仪设计任务书

压力测量仪设计任务书

一、设计目的

(1) 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。

(2) 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。

二、设计要求

(1) 设计一个电子天平，量程为0 ～ 1.999Kg，传感器采用悬臂梁式的称重传感器（悬臂梁上贴有应变片）。显示电路采用共阳极数码管。3位半A/D转换电路。

(2) 安装、调试电路。首先对电路进行调零、定标，然后再对电路进行稳定性、漂移（零漂、温漂）、重复性、线性等参数的测试和分析

(3) 写出总结报告。报告中应包括在调试过程中遇到的问题、改进方法及总结体会等。

三、压力测量仪基本原理

传感器
 
放大系统
 
A/D转换
 
显示器
 
传感器专用电源
 

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，然后在称盘上放砝码，测量传感器输出端的变化。正确的变化应为：测量0 ～ 2Kg，输出电压变化为0 ～ 10mV

调零：当传感器上不放砝码时，放大电路的输出应为零。若不为零，调整放大器的调零环节，使其输出为零。

定标：当传感器放上2Kg的砝码时，放大器的输出应为2V。小于2V或大于2V时应调节放大器的增益。

五、注意事项

（1）为避免损坏传感器，使用过程中要注意轻拿轻放。往传感器上放砝码定标时，要反复调零和调增益，最后的显示才能准确。

（2）在电路调试、定标等过程中应使用电压表、电流表监测传感器的供电电源(数字万用表电压挡测量输出电压；用模拟表电流挡测量电流)。必须保证供给传感器的电压、电流是恒定值，才能保证传感器的输出信号与被测量呈线性关系。

（3）接线或插拔元器件、芯片时要断电。

六、思考题

(1) 推导传感器采用恒流源供电与恒压源供电时单臂电桥的输出表达式，及非线性误差，进一步说明恒流源供电的好处。

(2) 推导恒压源供电时，单臂电桥、双臂电桥和四臂全桥输出表达式，进一步说明四臂全桥好处。

附录：本设计使用的传感器主要参数

量程：3.8ｋｇ㎏

输出灵敏度：1.8±10%mV/V

非线性：0.02%

滞后：0.02%

蠕变：0.02%

重复性：0.02%

零点输出：±1%

温度灵敏度漂移：0.002%℃

温度零点漂移：0.005%℃

输入阻抗：405±15Ω

输出阻抗：350±15Ω

绝缘阻抗：≥2000Ω

激励电压：10V

温度补偿范围：-10～+50℃

工作温度范围：-20～+60℃

超载能力：150%

弹性体材料：LY-12

引线长度：Φ3   4芯电缆   0.4m