第13章应变片传感器的应用

1、第第1313章章 小型称重系统设计小型称重系统设计13.1 13.1 设计任务设计任务 112.2 12.2 测量电路原理与设计测量电路原理与设计12.3 12.3 LabVIEW虚拟仪器设计虚拟仪器设计3213.1 13.1 设计任务设计任务 本例是利用金属箔式应变片设计一个小型称重装本例是利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。硬件部分是在置。硬件部分是在MultisimMultisim中仿真设计，软件显示与中仿真设计，软件显示与分析部分由分析部分由LabVIEWLabVIEW虚拟仪器完成。本设计完成过虚拟仪器完成。本设计完成过程中需要掌握以下几点：程中需要掌握以下几点：1 1）掌握金属箔

2、式应变片的应变效应，单臂、全桥电桥）掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂、全桥电桥 工作原理和性能。工作原理和性能。2 2）学会利用应变片原理建立仿真模型。）学会利用应变片原理建立仿真模型。3 3）比较单臂与全桥电桥的不同性能、了解其特点。）比较单臂与全桥电桥的不同性能、了解其特点。4 4）学会使用全桥电路。）学会使用全桥电路。5 5）会使用）会使用G G语言编程实现虚拟仪器的功能。语言编程实现虚拟仪器的功能。13.1 设计任务 13.2 测量电路原理与设计13.2.1 13.2.1 传感器模型的建立传感器模型的建立 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应

3、，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值将随着压力所产生的变化而变化。对体，其阻值将随着压力所产生的变化而变化。对于金属导体，电阻变化率的表达式为：于金属导体，电阻变化率的表达式为： （13-113-1） 式中：式中： 材料的泊松系数；材料的泊松系数； 应变量。应变量。(12 )RR 通常把单位应变所引起电阻相对变化称作电阻通常把单位应变所引起电阻相对变化称作电阻丝的灵敏系数，对于金属导体，其表达式为：丝的灵敏系数，对于金属导体，其表达式为： （13-21

4、3-2） 所以：所以： （13-313-3） 在外力作用下在外力作用下, ,应变片产生变化应变片产生变化, ,同时应变片电同时应变片电阻也发生相应变化。当测得阻值变化为阻也发生相应变化。当测得阻值变化为R R时，时，可得到应变值可得到应变值 ，根据应力与应变关系，得到应，根据应力与应变关系，得到应力值为力值为 （13-413-4） 0(1 2 )R Rk0RkRE13.2 测量电路原理与设计式式中：中： - -应力应力,-,-应变（为轴向应变）应变（为轴向应变） E- E-材料的弹性模量材料的弹性模量 。又重力又重力G G与应力与应力 的关系为：的关系为： （13-513-5）式中：式中： G

5、-G-重力重力, ,S- S-应变片截面积应变片截面积根据以上各式可得到：根据以上各式可得到： （13-613-6）由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即由此得出应变片电阻与重物质量的关系，即 （13-713-7）GmgS0kRmgRES0kRgR mES 2/kg mm13.2 测量电路原理与设计根据应变片常用的材料（如康铜）取根据应变片常用的材料（如康铜）取k k0 0=2=2；E E =16300 =16300 ；S S = = ；R0 =348R0 =348；g=g=所以在所以在MultisimMultisim中可用建立以下模型来代替应变片中可用建立以下模型来代替应变片进行仿真，模型如

6、图进行仿真，模型如图13-113-1所示：所示：（a a）结构示意图）结构示意图 （b b）仿真模型）仿真模型图图13-1 13-1 金属丝式应变片模型金属丝式应变片模型 2 9.8 348 / 16300 1000.004185Rmm 2/kg mm2100mm29.8/m s13.2 测量电路原理与设计 13.2.2 13.2.2 桥路部分电路原理桥路部分电路原理电阻应变计把机械应变转换成电阻应变计把机械应变转换成R/RR/R后，必须采后，必须采用转换电路通常采用惠斯登电桥电路实现这种转用转换电路通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。换。图图13-213-2所示的直流电桥，对于单臂电桥所示的

7、直流电桥，对于单臂电桥, ,如下图：如下图：13.2 测量电路原理与设计图图13-2 13-2 直流电桥直流电桥13.2 测量电路原理与设计1423(138)R RR R当电桥平衡时当电桥平衡时, ,相对的两臂电阻乘积相等相对的两臂电阻乘积相等, ,即：即： 43110112143(139)11RRR RUR RRRRR设桥臂比设桥臂比n=R2/R1 n=R2/R1 由于由于R1R1SamplingLabVIEWLabVIEW Instru InstrumentsTemplatesInputmentsTemplatesInput文件夹拷贝到另外一个文件夹拷贝到另外一个地方。地方。在在LabVI

8、EWLabVIEW 中打开步骤中所拷贝的中打开步骤中所拷贝的StarterInputIStarterInputInstrumentnstrument . .lvprojlvproj工程，如图工程，如图13-2513-25。接口电路的设。接口电路的设计是在计是在Starter Input Starter Input Instrument.vitInstrument.vit中进行。中进行。13.3 LabVIEW虚拟仪器设计图图13-25 13-25 StarterInputInstrumentStarterInputInstrument . .lvprojlvproj工程图工程图13.3 Lab

9、VIEW虚拟仪器设计打开打开Starter Input Starter Input Instrument.vitInstrument.vit的框图面板，完成接的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，把在口框图的设计。在数据处理部分，把在LabVIEWLabVIEW完成的子完成的子VIVI添加在添加在Update DATAUpdate DATA框中即可。此时框中即可。此时只是添加，不可修改框图面板的原状，如图只是添加，不可修改框图面板的原状，如图13-2613-26所示。所示。图图13-26 13-26 显示仪板的程序框图显示仪板的程序框图13.3 LabVIEW虚拟仪器设计由图由图13

10、-2613-26，子，子VIVI输出端有六个输出端口，在每个输出端有六个输出端口，在每个端口处右键点击选择创建指示器。在输入端口，端口处右键点击选择创建指示器。在输入端口，需要解决数据类型的匹配问题。由于系统原始的需要解决数据类型的匹配问题。由于系统原始的接口的设置，从接口的设置，从Multisim10Multisim10向向LabVIEWLabVIEW中虚拟仪器中虚拟仪器输入的是一个多维数组（它的数据类型是不能改输入的是一个多维数组（它的数据类型是不能改变的）变的）, ,为了和设计的子模块输入数据的类型相匹为了和设计的子模块输入数据的类型相匹配，需要加一些数据转换器，把两个数据端口正配，需要

11、加一些数据转换器，把两个数据端口正确的连接起来，如图确的连接起来，如图13-2613-26所示，所示，datadata后的第一个后的第一个程序模块是波形建立模块，接着的是提取程序模块是波形建立模块，接着的是提取Y Y值模值模块。实现数据类型的匹配还有另外两种方法，这块。实现数据类型的匹配还有另外两种方法，这将在以后章节的设计实例中介绍。将在以后章节的设计实例中介绍。13.3 LabVIEW虚拟仪器设计程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板如图如图13-2713-27

12、所示。完成后选择重命名，保存为所示。完成后选择重命名，保存为j1.vitvit。图图13-27 13-27 前面板设计前面板设计13.3 LabVIEW虚拟仪器设计编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。打开编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。打开 subVIssubVIs下的下的Starter Input Starter Input Instrument_multisimInformatio-Instrument_multisimInformatio-n.vin.vi的后面板，如图的后面板，如图13-2813-28所示，在仪器所示，在仪器IDID中和显示名中和显示名称中

13、填入唯一的标识，如一起设为称中填入唯一的标识，如一起设为Plotterhxx11Plotterhxx11。同。同时把输入端口数设为时把输入端口数设为1 1，因为只有一个电压输入；把，因为只有一个电压输入；把输出端口设为输出端口设为0 0，此模块不需要向，此模块不需要向MultisimMultisim输出信号。输出信号。设置完后另存为设置完后另存为proj1_multisimInformation.viproj1_multisimInformation.vi，注意前，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。13.3 LabVIEW虚拟仪器设计图图

14、13-28 13-28 虚拟仪器的设置虚拟仪器的设置13.3 LabVIEW虚拟仪器设计打开打开Build SpecificationsBuild Specifications，右键点击，右键点击Source Source Distributio-nDistributio-n，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如译完成后要生成的库文件重命名，如proj1proj1（.lib.lib）。）。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图如图13-2913-29所示

15、。属性设置完成并对工程进行保存后，所示。属性设置完成并对工程进行保存后，再在再在Source DistributionSource Distribution上点击右键，在弹出的菜单中上点击右键，在弹出的菜单中选择选择BuildBuild即可。即可。13.3 LabVIEW虚拟仪器设计图图13-29 13-29 属性设置属性设置13.3 LabVIEW虚拟仪器设计编译完成后，在编译完成后，在InputInput文件夹下生成一个文件夹下生成一个BuildBuild文件夹，文件夹，打开后把里面的文件复制到打开后把里面的文件复制到Electronics WorkbenchEWElectronics W

16、orkbenchEWB9B9下的下的lvinstrumentslvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开的导入，当再打开MultisimMultisim时，在时，在LabVIEWLabVIEW仪器下拉菜仪器下拉菜单下就会显示你所设计的模块（单下就会显示你所设计的模块（plotterhxx11plotterhxx11）。）。到这里所有关于此称重系统的设计完成，打开到这里所有关于此称重系统的设计完成，打开MultisimMultisim1010，导入后的显示模块如图，导入后的显示模块如图13-3013-30所示。把设计好的电所示。把设计好的电路和显示模块连接，电路调零后，进行仿真。路和显示模块连接，电路调零后，进行仿真。13.3 LabVIEW虚拟仪器设计XLV1In1图图13-30 13-30 显示模块图标显示模块图标 验证电路设计及显示模块的设计是否合理。图验证电路设计及显示模块的设计是否合理。图13-