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
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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。
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(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
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选购内存时需要注意什么
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适用于下一代汽车线控系统通讯要求的FlexRay协议规范
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