《检测理论及其应用》课程设计报告-应变式力传感器的设计及应用

1、检测理论及其应用课程设计报告单 位：自动化学院学生姓名：万志超专 业：测控技术与仪器 班 级：0821301学 号：2013212294指导老师：李锐成 绩：设计时间：2015年口月重庆邮电大学自动化学院制一、题目：应变式力传感器的设计及应用二、指导教师：李锐（电话三、设计冃标及技术要求用应变片来构成测力传感器在桥梁、建筑物、机械系统等结构工程领域冇 广泛的应用需求。根据某类检测对象（如振动隔离支座）的结构特点，分析其 材料、结构特性和受力特点，选用合适的应变片型号，进行受力计算分析和测 量信号分析后，设计应变式力传感器，能设计其测量电路并构成测力系统，对 测试的信号

2、进行分析、评价。详细说明应变式力传感器的设计过程、测力系统 的工作原理。四、给定仿真或实验条件电路仿真软件对测力电路进行仿真计算优化，能够在一定的外加载荷（如低 频低振邮激励力）下测试该传感器的特性。五、具体设计过程要求1. 确定总体方案：根据设计目标及技术要求完成总体方案设计，包描材料 选取、硬件选型及电路器件选型等。2详细方案设计：根据所设计的总体方案，根据信号采集原理和硬件选型, 设计合理的信号处理屯路及软件。3. 传感器的实验：力争完成在外加载荷（如低频低振幅激励力）下传感器 的特性测试。六、仿真、实验结呆分析要求等基于实验测试结杲，完成对所制作的传感器及设计的检测系统的信号处理和 综

3、合评价。七、设计的心得体会要求心得体会部分应反映参与者在木次课程设计中的不同体会。1、对设计对象进行概述52、方案的选择52. 1方案的制定62. 2方案的确定73、材料的选择103. 1弹性元件103. 1. 1弹性元件材料103.1.2弹性元件的参数计算113.2应变片的选择113. 2. 1电阻应变片类型的选择113. 2. 2应变片的材料123.2.3应变片主要参数143. 2. 4应变片的原理153. 2.5应变片的确定164、单元电路设计与分析1742放大电路的确定184. 3 proteus 电路图205、仿真及电路测试225. 1 proteus电路仿真测试图225. 2仿真结

4、果分析236、误差来源分析246、1电阻应变片的温度误差246. 2电阻应变片温度误差补偿方法256. 3电桥的非线性误差267、心得体会268、附件278. 1参考资料278.2电路keil程序278.3 a/ d 转换芯片 adc0832311、对设计对象进行概述随着科学技术的迅猛发展，当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产 品的一个独立门类，是信息社会的重耍技术基础。传感器是指那些对被测对象的 某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使z按照一定规律转换成与 之对应的可输出信号的元器件或装置。其中屯阻应变式传感器是被广泛用于屯子 秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据

5、需要来选定的。因此，应 根据测量对彖的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、 场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。木组的设计是一套传感器系统，大致分为四个模块：信号收集模块、测量模 块、放人模块和显示模块，测量电路为单臂电桥电路，放大模块我们使用的是 ad620差分放大器，显示模块是基于单片机的led数码管输出。由usb接口为显 示电路模块提供稳定的5v电压，由普通的5号电池为测量模块、放大模块提供 电源信号。外力（测 试信号）放大（滤 波）电路谋差分析设计总结2、方案的选择此次传感器课程设计选用压力应变式传感器，设计屮只要把应变片贴在承受 负载的弹性元

6、件上，在外力作用卜：电阻应变片产生应变，导致应变片的电阻值 发生相应变化，通过应变片电阻大小的变化求得弹性元件的应变力大小，故可以 通过选择不同的弹性元件和测量电路提出不同的测量方案。2. 1方案的制定根据弹性体的结构形式的不同可分为：轮辐式，梁式，环式，柱式等，在测 拉力上主要是用到梁式式传感器，如图2-1所示。图屮r1是电阻应变片，将其 粘贴在橡皮的一端，另一端受到外力f的作用，橡皮齐断面产生的盈利是相等的, 表面上的应变也是相等的，与水平方向的贴片位置是无关的。外力将导致橡皮发 生形变，该形变将传递给与之连的应变片，导致应变片产生相同的形变，从而 使其电阻值发生变化。将该电阻应变片接入测

7、量电桥，根据电桥输岀电压的变化 即可实现对外力的测量与评估。r1r1f(b)图2-1悬臂梁式力传感器(a)俯视图(b)正视图应变片将应变的变化通过公式转换成电阻相对变化ar/r,需要采用特别设计 的测量电路将电阻变化以电压形式输出，通常采用直流电桥，包括直流电桥电路、 等臂半桥差动电路和全桥差动电路。如下图2-2所示b全桥电路c直流电桥图2-2电桥电路2. 2方案的确定实心长方体可以承受较大的负荷，在弹性范围内，则应力与应变成止比关系。a/ cr f£ =/ e ae式中：f作用在弹性元件上的集中力；a实心长方体俯视面横截面积；<7实心长方体的应力e实心长方体的弹性模量

8、3;应变片轴向应变（1）直流电桥电路一般直流电桥的输出电压为u.=exr、+ r2 r3 + r4（2-1）进行实验丽，需要将电桥调零，电桥平衡的条件是r/厂re,但在实际上, 4个理论电阻值的电阻的实际值不一定完全相等，需要用滑动变阻器器进行屯桥 平衡调零。电桥平衡吋，即电桥无输出电压，则有(2-2)即相邻两臂电阻的比值相等。/ 、.& /?.1 + +< r尺丿1他丿/?4 a/?,& r；(2-3)应变片在外力作用下，电桥不平衡的输出电压为uo =ex s+arj©尺火 =e(/?1+a/?1 + /?2x/?4 + /?3)设桥臂比为訴二n,由于ar&#

9、171;r1,因此分母中的ari/ri可忽略,结合电桥平衡条件(2-2)可将(2-3)化简为u。(2-4)5ar./r,定义电桥的电压灵敏度为(2-5)电压灵墩度越大，说明应变片电阻相对变化相同的情况下，电桥输出电压越 大，电桥越灵敏。电桥灵敏度越高，实验产生的误差越小，更有利于实验的结果 的准确输出。单臂电路存在一定的非线性误差，在实际情况下，电压的输出值是uoe7a/?.nl&i+“+当r、丿(2-6)非线性误差为a/?)/lo-u'o(2-7)如果是四等臂电桥，n二1,则(2-6)可化简为、r / &2 + hrjr、a/?,l 2r(2-8)不同的应变片，具有不

10、同的灵敏度系数k，根据尺可以求得不同的非线性误差，橡皮应变片灵敏度系k = 2.08 ,则4r/r,=,代入式(2-8)120可求得非线性误差约为0.04%,在本次实验中，由于实验的要求，该线性误差可 忽略不计。(2) 半桥差动电路在等臂半桥差动电路中，(2-9)u =ex(r'+ar)心-忆+人心爪°(尺 + a/?】+ & + a/? x& + r3)假设初始值r、=r产r严r严r，橡皮受到向下的拉力或压力时，根据应变 片的性质，橡皮上方的应变片受拉，电阻增大，下方应变片受压，电阻减小，大 小相同，方向相反，即是a/?, = -r2 = r，代入式(2-6

11、),可化简为电桥的输出 电压为e a/? e/ =£x = -k(2-10)°2 r 2可见"。与呈线性关系，即半桥差动无非线性误差，且电压灵墩度比单臂 应变片工作时提高了一倍，即为(2-11)i(3) 全桥电路与半桥电路相同的原理，在全桥电路中，根据式(2-1),此时电压输出为(2-12)u =ex(心 mrs)“(/?, +&)+(& /?)(他 r 3 ) + (他 +ar4)在外力作用前，r严r产r?二r严r ,受力后at?, = a4 = -ar2 = -a/?3 = at?,整理式(2-10)得到，u =e 筠(2-13)&可见

12、，全桥差动电路不仅没有非线性误差，且电压灵敏度是单臂应变片工作时的4倍，即为综上所述，虽然全桥电路不仅没有非线性误差，且电压灵墩度是单臂应变片 工作的4倍,是半桥电路的2倍。直流屯桥屯路是三种屯路中灵敏度较低的屯路, 也存在以一定的非线性误差，但根据所的选弹性材橡皮，通过一系列参数带入上 述公式计算估计，非线性误差对该实验影响较小，约等于0. 04%,且应变片电阻 相对变化较小，满足实验耍求根据设计的实验，捉供一定的压力测试信号，通过 电路，使其在显示电路显示一定作用力卜的电压变化，从而通过电压变化实现对 外力f的计算，而且综合实验成本与复杂性，故选择直流屯桥屯路作为本次实验 的测量电路。在实

13、际电路中，为了同时显示电压输出值和应变片受力大小，在直流电桥调 零的情况下，应变片电阻减小，输出电压为负，led显示管不能显示负值，所以 在调节平衡时将输岀值匕固定为常值1vo3、材料的选择3.1弹性元件弹性敏感元件在传感器技术中占冇极为重要的地位。在传感器工作过程中， 一般是由弹性嫩感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等， 然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。所以在传感器中弹性元件 是应用最广泛的元件。3.1.1弹性元件材料为了选择合适的弹性材料，经查阅资料，弹性材料应满足以下条件：1、强度高，弹性极限高；2、具冇高的冲击韧性和疲劳极限；3、弹性模量温度系数小而稳

14、定；4、热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性；5、热膨胀系数小；6、具有良好的机械加工和热处理性能；7、具有高的抗氧化、抗腐蚀性能；8、弹性滞后应尽量小。生活中常见材料的弹性模量、泊松比如表3. 1. 1所示。表3.1.1常见材料的弹性模量、泊松比材料弹性模量(n/m2)泊松比材料弹性模量(n/m2)泊松比钢1.96xl090. 29聚乙烯0.20 xlo70. 38铜0.98xl090. 36有机玻璃0.34xl080. 33蚕丝0.64xl08石英玻璃0.79 xlo90. 14橡皮0.25xl080. 5橡胶0.20 xlo40.49经讨论研究，根据实际情况以及从制作成本和材料获取难易

15、程度上考虑，本 次课程设计选用生活中常见的长方体形橡皮擦作为弹性元件。橡皮擦还需耍一定 的长度与高度要求，经与学校内所有橡皮比较，选用长度为7cm,高0. 9cm,宽2. 53cm，长度适屮，柔软程度良好，经测试，满足实验必需条件，测试效果良好。 3.1.2弹性元件的参数计算由3.1.1知本次课程设计采用的是橡皮，查表得e 二 0.25x10%a = 7x2.53(伽 2)ar aef =xr kk二2. 08a df = 23xl(/x 丝r3. 2应变片的选择3.2.1电阻应变片类型的选择电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金屈箔式应变片和金屈薄膜应变片。 由于电阻丝式应变片有横向效应对测量

16、的精度有影响，使灵蝕度降低，而且耐疲 劳性能不高。金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。故选用 金属箔式应变片。箔式应变片的主耍优点：(1) 本身性能稳定，受温度变化的影响小，在-30+350度范围内稳定工作;(2) 散热条件较好；(3) 在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好；(4) 适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便；(5) 价格便宜；(a)单轴的(b)测扭矩的(c)多轴的(应变花)图3. 2. 1各种金属箔式应变片3.2.2应变片的材料电阻应变片简称应变片。它由四个部分组成。第一是电阻丝(敏感栅)，它是应变计的转换元件。第二是基底和面胶(或覆盖层)。基底是将长肝

17、气弹性体表面的应变传递到 电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护 电阻丝的作用。第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。第四是引出线，它作为联结测量导线z用。(1) 材料的选用原则应变片敏感栅合金材料的选择对制作应变片性能的好坏起着决定性的作用， 因此对制作应变片所用的应变电阻合金有以下的要求：a有较高的灵敏系数；b电阻率咼；c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强;e与其它金属接触的热电势小；f与引岀线焊接容易。（2）常用的应变片材料目前国内还没有一种金属材料能满足上述全部要求，因此在选用时，只

18、能 给予综合考虑，常用的有康铜、银銘、卡玛合金、银縮硅镒等合金。其各自性能 分别如下表所示：表3.2.2常用的应变片材料材科名称化学成分电阻率 p /(q -mirf/m)电阻湿度系数 a / （10vc）灵墩系数兀线膨胀系数 b/ （10听）最高艇題 /rcu55ni450.45-0.52±202.015250（静态）400（动态）ni80cm1.0 1.1110-130212314450（静态）800® 态）6j22ni74,cr20 a13je31.24 1.42±20242613.3450（静态）800简态）伊文盛 6j23ni75?cr20 a13,cu

19、21.24-1.42±20242.613.3450（静态）800（动态）铁辂铝合金fe余重 cr26a1541.31.5±30-402.614550（静态）1000®态）钳钙合金pt90.»91.5w8.5-9.50.74).76139-192343.29800（静态）1000（动态）pt0.09-0.1139004.69800（静态）1000®态）第械合金pt80jr200.35901.013800（静态）1000®态）由表可知：电阻温度系数较小而且稳定，同时它的ks对应变值的稳定性非 常高，不但在变形的弹性范围ks持为常数，在进入

20、塑性范围后，亦基本保持为 常数。所以本课程设计采用是材料为康铜的应变片。（3）基底、引线材料和粘合剂基底用于保持嫩感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持墩感栅和引 线的形状和相对位置，还口j保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基 底宽。基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚 度约0. 030. 05mm,本次设计采用胶基；引线材料是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求： 电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可 制作引线；黏合剂材料用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用 金屈应变片时，

21、也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。 以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为 有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和屮温。常用的有聚丙烯酸酯、 酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、 硅酸、硼酸盐等。本次设计采用冇机粘结剂。3. 2. 3应变片主要参数一般的应变片是在称为基底的塑料薄膜(15-16um)上贴上曲薄金属箔材制 成的敏感栅(3-6nm),然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。如图3.2.3所示, 应变片由五部分组成：敏感栅、基底、覆盖层、粘合剂及引出线。应变片主要特点：1、部分应变片具冇自补偿功能

22、，不需耍补偿片，自身就能抑制应变温度 漂移的功能。2、产品品种多、可以给客户在不同的测量场合，提供完善应变测量选择, 主要有：普通、低温、高温、超高温防水、复合材料、混凝土、焊接式、焊接 防水、半导体、测残余应力、等非常完善的产品规格和型号。3、测量温度范围广：-269 °c -800 °c4、产品稳定性好、长时间测量，产品测量结果稳定。5、产品的测量形状多样，可以测量多种力学信号，如：测量扭矩、剪切 应力、集中应力、等等。3.2.4应变片的原理金属电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料 在外界力的作用下产生机械变形时，其屯阻值相应的发生变化，这种现象

23、称为 “应变效应”。箔式电阻应变片是一种基于应变一一电阻效应制成的，用金属 箔作为敏感栅的，能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压 阻效应。压阻效应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变 化的现彖。将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起仲缩，这样里而 的金屈箔材就随着应变伸长或缩短。很多金屈在机械性地伸长或缩短时其电阻 会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量屯阻的变化而对应变进行测 定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铭合金，其电阻变化率为常数，与应变成 正比例关系。b|j：(3-1)rfa

24、=a(3-2)e(3-3)式中：f作用在弹性元件上的外力；a受力横棉面积；b应力大小；£轴向应变；e被测试件的材料弹性模量；k电阻丝的灵敏度系数(常量，由应变片的生产厂家提供)；r应变片原电阻值q (欧姆)；ar伸长或压缩所引起的电阻变化q （欧姆）；不同的金属材料冇不同的比例常数k。铜钻合金的值约为2。这样应变的 测量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。但是由于应变是相当微小的变化， 所以产生的电阻变化也是极其微小的。3.2.5应变片的确定箔式应变片的嫩感栅是用厚度为0. 002-0. 005mm的铜镰合金或者鎳链合金 的金属箔，采用光刻腐蚀等技术制成。基底是在另一头涂上树脂胶，经

25、加温聚合 而成,厚度一般为0. 03-0. 05mm。丝式应变片有横向作用对测量精度有影响，灵敏度降低，耐疲劳性能不高； 薄膜式应变片难以控制点组合温度的变化关系，不常用，而箔式本身性能稳定， 散热条件良好，长时蠕变小，适用于弹性结构形式，粘贴也很容易，最重要的是 价格便宜，故我们选用bx120-20aa型号的箔式应变片。bx120-20aa参数如表3. 2. 4所示。由于选择的弹性体橡皮，长度较长，应选择氏度适中的应变片，有利于 当外力作用于在橡皮的一端时，橡皮的形变能最大地引起应变片的形变，使电压 输出值变化较明显。选用应变片参数如表3. 2.4：表 3.2.4 bx120-20aa 参数

26、表型号敏感栅尺寸 （宽 x 长材料阻值灵敏度bx120-20aa5x25箔式120 土 0. 1q2. 08 ±1%图 3. 2.4 应变片 bx120-20aa4、单元电路设计与分析4.1设计软件选择protues与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机外围电路或 没有单片机参与的其它电路的工作情况，也能仿真单片机cpu的工作情况。因此 在仿真和程序调试时，是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结 果。从某种意义上讲proteus仿真，基本接近与工程应用。考虑到对软件的熟练 度，木次实验选择使用仿真软件选择protuesoprotues软件是英国labcenter

27、electronics公司岀版的eda工具软件。它 不仅具有其它eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是口前 最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片 机爱好者、从事单片机教学的教师、致力丁单片机开发应用的科技工作者的青睐。 proteus是世界上著名的eda工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片 机与外围电路协同仿真，一键切换到pcb设计，真正实现了从概念到产品的完整 设计。是口前世界上唯-将电路仿真软件、pcb设计软件和虚拟模型仿真软件三 合一的设计平台，其处理器模型支持8051、hc11、 pic10/12/16/18/24/30/d

28、spic33、avr、arm、8086 和 msp430 等，2010 年即将增 加cortex和dsp系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面， 它也支持iar、ke订和mplab等多种编译器。它运行于windows操作系统上，可以仿真、分析(spice)各种模拟器件和集 成电路，该软件的点是： 实现了单片机仿真和sptce电路仿真相结合。具冇模拟电路仿真、数字屯 路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、rs232动态仿真、i2c调试器、 spi调试器、键盘和lcd系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分 析仪、信号发生器等。 支持主流单片机系统的仿真。目而支持的单片

29、机类型有：arm7(lpc21xx)、 8051/52系列、avr系列、ptc10/12/16/18系列、hc11系列以及多种外围芯片。 提供软件调试功能。在硬件仿真系统屮具有全速、单步、设置断点等功能, 同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必 须具冇这些功能；同时支持第三方的软件编译调试环节keil c51 uvision2、 mplab等软件。42放大电路的确定依照课程设计屮的方案可知，来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电 压(包括干扰电压)。一般采用差动输入集成运算放大器來抑制它，若采用低漂图4.2.1三运放高共模抑制比放大电路它由三个集成运算放大器组

30、成，要实现共模抑制必须要求外接电阻完全平衡 对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器木身的共模抑制能力有关。这样的放 大电路不易实现而11误差很大。然而ad620仪表放大电路则无上述的缺点。如图4.2.2所示，ad620仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中的 电阻r与rx需在放大器的电阻适用范围內（lkq10kq）。固定的电阻r,我们 可以调整rx來调整放大的增益值，其关系如下：(4-1)1+卉-%)u1u2图4.2.2 ad620仪表放大电路示意图ad620仪表放大器的引脚图如图4.2.3所示。其中1、8引脚要跨接一个

31、电 阻来调整放大倍率，4、7引脚需捉供正负相等的工作电压，由2、3引脚输入的 电压即可从引脚6输出放大后的电压值。引脚5是参考基准，如杲接地则引脚6 的输出即为与地之间的相对电压。ad620的放大増益关系式如式（4-2）.式（4-3） 所示，通过以上二式可推算出各种增益所要使用的电阻值rgo2*rgrg-in+vs+in * 4outpu-vsref8十7«6十5 4-图4. 2.3 ad620引脚图该放大器的增益为(4-2)(4-3)0csvcccmcclkch»lo«000gw，:.i益；:xtalifoa*axtal2rosad： rcaadshotfo7u

32、kfr7pzdw8rzjraiaaic w:gdo rztaawfinrt7no«x>ri.vtwrxiox»2f13pjanrn小p3s-t1w"vif3j壬善召弋-449.4kq由（1-19）转换得到1、8引脚之间相连的电阻为c 49.4kqrr =g + 14. 3 proteus 电路图proteus电路主要器件由芯片adc0832.共阳极4位半导体数码管led和74hc573 组成。图4. 3. 1 proteus直流电桥电桥及放大部分电路仿真图xtal1旦 xtal2fod*a»q ro.va»1 ro2fa»z p

33、03*a»3 po.wat* pgus fdfifaw ?0.?/a»?mdt2pz.v*s pzm10 pz31k11 pz.4m1z pzs*13 fz«*a1« f2.tmhp3o*kx»p3.1hx» p3nte p33http3xtd rjjcrip3.7i1frp14. 3. 2 proteus数字显示部分电路仿真图adc0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道a/d转换芯 片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目 前已经冇很高的普及率。adc0832具有以下特点：1、8位分辨

34、率；2、双通道a/d传换；3、输入输出电平与ttl/cmos相兼容；4、5v电源供电时输入电压在05v之间；5、工作频率为250khz,转换吋间为3211s；6、一般功耗仅为15mw；7、8i 14pdip （双列直插）、picc多种封装；8、商用级芯片温宽为0。cto+70。c,工业级芯片温宽为-40。c+85°co5、仿真及电路测试5. 1 proteus电路仿真测试图因为实验结果不能显示负值，所以在电路中利用滑动变阻器进行平衡调节 时，使屯压输岀不为零，而是使具为固定的电压值，通过对应变片的屯阻变化的 操作，使电压输出在该固定值上下变化，有利于更好观测与计算电压的变化。我 们将

35、直流电桥初值定为1.0v,这时应变片受力为0 no图5.1.1应变片未受力电阻不变时输出电压和应变片受力大小roor*>3 rov*>iroaf*>3raa.*>s，二as»2oa112amfz«.».uglm6fj.vno awratl*t1 navncv cmcb1se5s3l®?1b545©ski图5. 1. 2应变片受力电阻变小时电圧输出和应变片受力大小创卜4叶工 早滋 i xtftngo oucoo to器 3209x3i: oy:口 ikej£:鑿需二:旧*tm.»foowro2kx

36、87;2xtm2hx wk*4ro»mw2.vq巧ra二 a"*veftc*:"仃 r/jmmknxrrzn«.vr»ru,xrmn "ems八>v7ttrt>wf1图5. 1.3应变片受力电阻变小吋电压输出和应变片受力大小5. 2仿真结果分析图中以滑动变阻器代替应变片，通过改变滑动变阻器的阻值使电压输岀变化。由于电桥点路输出电压：n =卩口 関(5-1)将 rl=r2,n=l,e=3v 代入(5-1)得:3 a/?(5-2)乂通过放大电路ad620放大，ad620放大倍数为厂 49.4kq(rg将rg = 200q代入(

37、5-3)得g = 248.5匕通过ad620放大得(/ =186.375 x r(5-3)(5-4)(5-5)曲弹性元件参数计算：(5-6)ar ae f =x r k将 a = 7x2.53伽彳),k=2. 08 , e = 0.25xl08pa 代入(5-6)得a df = 2.13x104x(5-7)r将(5-7)与(5-5)联立可得f = 114.51629x/(5-8)由于应变片电阻变化/?变化最大值为0.10 ,则(/omax =0.155v , fmax= 17.73o由于应变片电阻变化范围很小，则直流电桥输出电压变化很小， 为了精确的调节输出电压初值以方便显示，将应变片未受力电

38、压输出初值定为 lvo在proteus中我将应变片屯阻分为几个范围为几欧姆的滑动变阻器以方便调 节。6、误差来源分析用应变片测量时，曲于环境温度所引起的屯阻变化与试件应变所造成的屯阻 变化几乎有相同数量级，从而产生很大的测量误差。根据传感器与检测技术教材相关内容可知，造成应变片温度误差的原因主耍有两个：应变片的电阻丝具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。6. 1电阻应变片的温度误差我们假设构件温度变化为at (°c)时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材 料的电阻温度系数为q ,则产生的电阻相对变化为：= (6-1)r由于上述两者的线膨胀系数不同，当at存在时，引起应变

39、片的附加应变， 相应电阻相对变化为(6-2)其屮，k为应变片灵敏系数；bg为试件线膨胀系数；bs为应变片敏感栅材料 线膨胀系数。因此曲于温度变化引起的总电阻相对变化为:(6-3)6. 2电阻应变片温度误差补偿方法最常用、最有效的电阻应变片温度误差补偿方法是电桥补偿法，其原理图如下图6. 1所示图6. 1电阻应变片温度谋差电桥补偿法原理图根据电路分析，可知电桥输出电压u（）与桥臂参数的关系为:(6-4)& u *3 jj rr - r2r3 ur、+ z?2 r3 + r、 (7?| + /?2 )(尺3 +)根据式（6-1）,当/?3和r4为常数时，&和r?对电桥输出电压匕的作

40、用效果相反。电桥补偿法止是利用了这一基本关系实现了对测试结果的补偿。测量方法：将工作应变片粘贴在测试件表面上，补偿应变片凡粘贴在被测试件材料完全和同的补偿块上，且只有工作应变片承受应变，如图（3-4 b） 所示。6. 3电桥的非线性误差实际电桥电压与应变片的电阻相对变化为非线性关系，如式（6-5）所示，当电阻变化量很小至可以忽略不计，或则远小于1时，电桥电压与电阻和对变化 可以认为是线性的。(6-5)r a7?rl m ar. ar、3 】nrl 2 + 理：2r r r r2r/ r7、心得体会我感觉课程设计和以往我所选修的实践实验课程相比较，课程设计更加考验 学牛综合运用所学知识的能力。与

41、以往的实验课程老师将实验的毎一步都讲解的 清清楚楚不同，在课程设计中我需要和我的小组成员一起发现、提出、分析和解 决问题，这就更加考验我们的自我学习能力。课程设计与实验课程最大的区别在 于：实验课程的出发点是传授学生实验原理方面的知识和培养一定的动手能力， 而课程设计的出发点是满足提出的要求，设计出贴近实际的产品，这更贴近你走 上工作岗位所要完成的工作，可以让你提前感受适应未來可能的工作。冋顾这次课程设计，我感慨真的很多。从老师宣布要进行课程设计到寻找小 组成员组队，从选题到定稿，从理论到实践，在这些日子里，可以说是苦多于甜, 更是出现了很多问题，但是当你发现一些问题并通过团队的努力合作解决这

42、些问 题给你带来的快感和成就感是我以前没有感受到的。通过这次课程设计使我懂得 了理论与实际是存在很大的差距的。就比如我在这次课程设计主要任务是设计电 路和仿真，当我在proteus和keil上仿真成功后我以为这个设计已经完成一大 半了，但事实上我错的很彻底，实际电路的完成比在电脑仿真程序上困难的多。 某些元器件的组合、调试、连接在仿真程序上只需要点儿下鼠标就可以，但是在 实际电路中我们需要考虑到整个设计的整体布局，实际操作的限制以及其他因素 的影响。就我自己在仿真没有结合实际考虑问题，从而导致实际电路连接岀现的 问题來说。我在设计方案时将应变力式传感器的测量电路设计为灵敏度最高，不 存在非线性

43、误并的全桥并动电路。但是在实际电路操作中们发现当四片应变片同 时发生形变产生电阻变化时，我们不能保证测量电路输出的电压一直为止值，如 果不是正值我们便无法在显示电路中显示。这就导致在最后的操作中我们将测量 电路改成了误差最大，灵敏度最低的单臂电桥电路。这是我在电路仿真中没有考 虑到的，也导致了这次设计质量的降低。通过这次课程设计让我认识最深的就是理论和实际相结合是特别重要的，只 考虑理论上的可行性是远远不够的，如果不把理论知识与实践情况相结合起来， 很容易在实际设计完成中出现大问题。这是我第一次做课程设计，在这期间出现了各种各样的问题，同时在设计的 过程中我发现了口己的很多不足z处，我一直认为

44、我对以前所学过的知识理解得 很好，但是当我自己实际操作中就出现了很多问题，比如说不懂一些元器件的使 用方法，对一些特殊电路掌握得不好。在完成这次传感器课程设计后，我们发现我们还有许多不足,所学到的知识 还远远不够，以至于还有一些功能不能完成实现。但通过学习这一次实践,增强了 我们的动手能力，提高和巩固了传感器方面的知识，特别是电路方面。从中增强了 我们的团队合作精神，并让我们认识到把理论应用到实践中去是多么重要。本次 课程设计由于是我们第一次独立设计，还自许多地方有不足z处。请老师予以指 出并给予指导。8、附件8.1参考资料1、单成祥等，传感器设计基础-课程设计与毕业设计指南，国防工业出版社,

45、 20072、刘起议，传感器应用技术与实践，国防工业出版社，20113、胡向东，等编著，传感器与检测技术（第2版），机械工业出版社，20134、传感器实用装置制作集锦，陈尔绍主编.人民邮电出版社，2000年5、传感器工作原理及应用实例，黄继昌主编.人民邮电出版社，1998年6、测控电路，张国雄主编，机械工业出版社.2005年8.2电路ke订程序#in clude<reg52.h>#incl ude<i ntrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar smg_seg=0x08/0xbd,

46、0x44,0x24,0x31,0x22,0x02,0x30x00,0x20; 段选控制uchar smg_bit=0x01,0x02,0x03,0x04;位选控制 数码管片选sbit smg_cs0 = p0al; sbit smg_csl = p0a2; sbit smg_cs2 = p0a3; sbit smg_cs3 = pom; sbit smg_pnt = p1a7;w cs位定义为p2.7引脚将clk位定义为p2.2引脚将dio位定义为p2.4弓|脚/adc0832 接口sbit adc0832 cs =p2a7;sbit adc0832_clk=p2a2;sbit adc0832

47、_dio=p2a4;延时函数*/void delay(unsigned char ms) / 延时子程序unsigned char i; while(ms-)* 名称:dread_adc0832() *功能：将模拟信号转换成数字信号*输入：ch通道选择 *输出：dat转换值*unsigned char read_adc0832(unsigned char ch)unsigned char i,dat; 定义变量adc0832_cs=l;f转换周期开始adc0832_clk=0; 为第一个脉冲作准备adc0832_cs=0; /cs 置 0 ,片选有效adc0832_dio=1;/dio置1 ,

48、规定的起始信号adc0832_clk=l;第f脉冲adc0832_clk=0;第一个脉冲的下降沿，此前di0必须是高电平adc0832 dio=1;/dio置1 ,通道选择信号adc0832_clk=l;第二个脉冲，第2、3个脉冲下沉之前，di必须跟别输入两位数据用于选择通道,这里选通道ch0adc0832_clk 二 0;第二个脉;中下降沿adc0832_dio=ch;/di置0 ,选择通道0adc0832_clk=l;第三个脉冲adc0832_clk=0;第二个脉冲下降沿adc0832 dio=1;第二个脉冲下沉之后,输入端di0失去作用,应置1for(i=0;i<8;i+) 高位在

49、前adco832_clk=1;第四个脉冲adc0832_clk=0;dat«=l;w下面储存的低位数据向右移dat | =(unsigned char)adc0832_dio;将输出数据dio通过或运算储存在dat最低位adco832_cs=1;片选无效return dat; 将读出的数据返回void led_lnit(void)smg_cso= 1;smg_csl = 1;smg_cs2= 1;smg_cs3 = 1; uchar adc_value = 0;uchar adc_cnt = 0;uint adc_add_value = 0;uchar led_d2;void led

50、_dis_value(void)ucharad_value_temp;ad_value_temp = read_adc0832(0); adc_add_value += ad_value_temp; adc_c nt +；if(adc_cnt >= 20)adc_value = adc_add_value / 20;仿真led_do = adc_value /51;led_d1 = (adc_value * 100)/510)% 10;po=oxoo;pl = smg_segled_dl;smg_pnt = 1;p0=0x01; delay(lo);po=oxoo;pl = smg_se

51、gled_do;smg_pnt = 0;po=oxo2; delay(lo);po=oxoo; if(led_dl>=l) pl =smg_segled_dl-l; elsepl =smg_segled_dl; smg_pnt = 0;p0=smg_bit3; delay(lo); po=oxoo;if(led_do>=l)pl =smg_segled_dl; else if(led_do=o)pl =smg_seg10-led_dl;smg_pnt = 0;po=smg_bit ； delay(lo);adc_c nt = 0;adc add value = 0;void mai

52、n()unsigned char i = 0;ledjnitf);while(l)led_dis_value();8. 3 a/ d 转换芯片 adc0832芯片接口说明： cs_片选使能，低电平芯片使能。 cho模拟输入通道0,或作为t n+/-使用。 ch1模拟输入通道1,或作为i n+/-使用。 gnd芯片参考0电位（地）。 di数据信号输入，选择通道控制。 d0数据信号输出，转换数据输出。 clk芯片时钟输入。adc0832 2-channel muxdual-ln-line package (n) vcc/ ref电源输入及参考电压输入（复用）。adc0832 2-channel m

53、uxsmall outline package (wm)com internally connected to gnd. *ef inbrna ly connected to vcc. top viewcs 114一 vcc (vrejnc 213nccho z w12c.<nc 41 1ncch1 510 donc 69-ncgnd 78 dicsoo5583-41top view设备设计.厂房设计.车间设计年产8580吨维生素c发酵车间设计 年产7500吨青霉素原料药工厂发酵车间的设计 年产100吨芬布芬原料药车间工艺设计 年产6亿片蔡普生片剂车间工艺设计 年产3亿粒阿莫西林胶囊剂生产车间工艺设计 年产2000万支双黄连口服液生产车间工艺设计年产1000万瓶葡萄糖注射液生产车间工艺设计湖北医药学院 毕业没计（论丈丿题目：年产16亿粒贝诺酯片剂生产车间工艺设计学院：药学院专业：制药工程年级：2012 级学号：201210062018姓名：刘小兰指导教师：詹利之2016 年 5 月 15 h学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意 识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者：（手写）年 月 日学位论