称电路的设计和分析.ppt

电子称电路的设计和分析,主要内容,设计步骤,设计要求,设计一种小型、简便、精确度高的电子平台秤，量程20Kg，分度值为20g，它用一个显示窗口来显示所称物体的重量。基本功能：置零、超重报警可选功能：去皮、标定,置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点且在称重范围内，则可按置零键，显示零值并零点指示灯亮。去皮：在称重显示状态下，按去皮键，则显示零值并去皮指示灯亮；在去皮状态下，拿掉皮重物时按去皮键，可以清除皮重值。标定功能：为保证仪器预定精度的可靠性和合法性，仪器必须定期校准，为用户提供一种方便的自动校准方式。,电子秤的组成,1电子秤的基本结构 电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。,不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：承重、传力复位系统称重传感器测量显示和数据输出的载荷测量装置,电子秤的组成,1）承重、传力复位系统 它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。,电子秤的组成,2)称重传感器 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。,电子秤的组成,对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。,电子秤的组成,3)测量显示和数据输出的载荷测量装置 即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。,电子秤测量系统的结构框图,电子秤的工作原理,当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处理器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。,电子秤的计量性能,电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。（1）量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。（2）分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。（3）分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=n d,电子秤主要部件,称重传感器称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的50%70%。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。,常用的各种城中传感器,称重传感器的种类很多，根据工作原理来分，常用的有以下几种：电阻应变式电容式压磁式压电式谐振式,电阻应变式,电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当的方式组成电桥，将力（重量）转换成电信号的转换元件。,电容式,电容式称重传感器是把被称物体的重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。由于电容式传感器存在输出特性的非线性，寄生电容、分布电容对灵敏度和称重精度的影响，传感器连接电路比较复杂等问题，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。,压磁式,压磁式称重传感器也称磁弹性传感器，它是一种力电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化转换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大，抗干扰性能好，承载能力强，不均匀载荷对测量准确度的影响小，能在恶劣的环境中工作，结构简单便于加工等优点；缺点是准确度低，反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的这种要求承受大吨位，并要求牢固可靠；安全报警等测力或称重场合。,谐振式,谐振式称重传感器也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着被称物体重量的变化产生频率变化现象而形成信号的一种传感器。谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。,电阻应变式传感器,电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，实现电测非电量的传感器。传感器由在不同的弹性敏感元件上粘贴电阻应变片构成，当被测物理量作用在弹性敏感元件上时，弹性敏感元件产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形，电阻应变片再将变形转换为电阻值的变化。应变式电阻传感器是目前在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中应用最广泛的传感器之一。,电阻应变片,对于一段长为L，截面积为S，电阻率为的导体，未受力时电阻为 R=，在外力的作用下，电阻丝将会被拉伸或压缩，导体的长度L、截面积S以及电阻率等均将发生变化，从而导致其电阻值发生变化，这种现象称为“电阻应变效应”。利用金属或半导体材料电阻丝的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件。为在较小的尺寸范围内感受应变，并产生较大的电阻变化，通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件，即电阻应变片，通常由敏感栅、基底、盖片、引线和黏结剂等组成。,电阻应变式称重传感器,电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件，利用它可以将测得的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计，它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。,在电阻应变式称重传感器中，通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器的工作原理框图如图所示:,电阻应变式称重传感器的桥式测量电路如图所示:,R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。,当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片将不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成R+R1、R+R2、R+R3、R+R4时，电桥的输出电压变为：,电桥的输出电压和4个桥臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3为正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值，再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即：,A/D转换器（ADC）,在实际的测量和控制系统中检测到的是时间、数值都连续变化的物理量，这种连续变化的物理量称之为模拟量，与此对应的电信号是模拟电信号。模拟量要输入到单片机中进行处理，首先要经过模拟量到数字量的转换，单片机才能接收、处理。实现模/数转换的部件称A/D转换器或ADC。低功耗、高速、高分辨率是新型的ADC的发展方向。,