壓力測量儀設計任務書

圖2? 傳感器電橋測量電路

(2) 放大系統(tǒng)

壓力測量儀的放大系統(tǒng)是把傳感器輸出的微弱信號進行放大，放大的信號應能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。該系統(tǒng)使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換是3位半A/D轉(zhuǎn)換，所以放大器的輸出應為0V ～ 1.999V。

為了準確測量，放大系統(tǒng)設計時應保證輸入級是高阻，輸出級是低阻，系統(tǒng)應具有很高的抑制共模干擾的能力。

(3) 模數(shù)轉(zhuǎn)換及顯示系統(tǒng)

傳感器的輸出信號放大后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，該數(shù)字量由顯示器顯示。顯示器可以選用數(shù)碼管或液晶顯示器

(4) 傳感器供電電源

有恒壓源與恒流源

對于恒壓源供電：參考圖2，設四個橋臂的初始電阻相等且均為R，當有重力作用時， 兩個橋臂電阻增加△R，而另外兩個橋臂的電阻減少，減小量也為△R。由于溫度變化影響使每個橋臂電阻均變化△RT。這里假設△R遠小于R，并且電橋負載電阻為無窮大，則電橋的輸出為：

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)

說明電橋的輸出與電橋的電源電壓E的大小和精度有關(guān)，還與溫度有關(guān)。

如果△RT=0，則電橋的電源電壓E恒定時，電橋的輸出與△R/R成正比。

當△RT≠0時，即使電橋的電源電壓E恒定，電橋的輸出與△R/R也不成正比。這說明

恒壓源供電不能消除溫度影響。

對于恒流源供電：供電電流為I，設四個橋臂的電阻相等，則

IABC=IADC=0.5I

有重力作用時，仍有

IABC=IADC = 0.5I

則電橋的輸出為：

???????????????? USC= 0.5I*(R+△R+△RT)- 0.5I*(R-△R+△RT)=I*△R?????????????????? 即???????? USC= I*△R??????????????????????????????????????????? 式(2)

因此，采用恒流源供電，電橋的輸出與溫度無關(guān)。因此，一般采用恒流源供電為好。

由于工藝過程不能使每個橋臂電阻完全相等，因此，在零壓力時，仍有電壓輸出，用恒流源供電仍有一定的溫度誤差。

四、設計提示

(1) 放大電路設計

首先，由于傳感器測量范圍是0 ～ 2Kg，靈敏度為1mV/V，其輸出信號只有0 ～10mV左右；而A/D轉(zhuǎn)換的輸入應為0V ～ 1.999V，對應顯示0 ～ 1.999Kg，當量為1mV/g，因此要求放大器的放大倍數(shù)約為200倍，一般采用二級放大器組成。

其次，在電路設計過程中應考慮電路抗干擾環(huán)節(jié)、穩(wěn)定性。選擇低失調(diào)電壓，低漂移，高穩(wěn)定性，經(jīng)濟性的芯片。電源電壓±12V或±15V。

最后，電路中還應有調(diào)零和調(diào)增益的環(huán)節(jié)；才能保證電子電平?jīng)]有稱重時顯示零讀數(shù)；測壓力時讀數(shù)正確反映被測壓力。

(2) 傳感器專用直流穩(wěn)壓電源：

傳感器要求的電源是+10V電壓。對于給定的傳感器其輸入電阻為400Ω；輸出電阻為350Ω。采用恒流源比采用恒壓源可以減小非線性誤差，因此本實驗中要求恒流源供電，即電流在25mA左右的恒流源。

(3) 按照要求查閱相關(guān)電路和元器件功能的資料，完成傳感器恒流源、放大電路A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路的設計，畫出電路圖。

(4) 電路調(diào)試

將+10V電壓接到傳感器的輸入端，測量傳感器的輸出。在空載時，傳感器的輸出應為零，但由于有一個稱盤，輸出不為零，記下初始數(shù)據(jù)，然后在稱盤上放砝碼，測量傳感器輸出端的變化。正確的變化應為：測量0 ～ 2Kg，輸出電壓變化為0 ～ 10mV

調(diào)零：當傳感器上不放砝碼時，放大電路的輸出應為零。若不為零，調(diào)整放大器的調(diào)零環(huán)節(jié)，使其輸出為零。

定標：當傳感器放上2Kg的砝碼時，放大器的輸出應為2V。小于2V或大于2V時應調(diào)節(jié)放大器的增益。

五、注意事項

（1）為避免損壞傳感器，使用過程中要注意輕拿輕放。往傳感器上放砝碼定標時，要反復調(diào)零和調(diào)增益，最后的顯示才能準確。

（2）在電路調(diào)試、定標等過程中應使用電壓表、電流表監(jiān)測傳感器的供電電源(數(shù)字萬用表電壓擋測量輸出電壓；用模擬表電流擋測量電流)。必須保證供給傳感器的電壓、電流是恒定值，才能保證傳感器的輸出信號與被測量呈線性關(guān)系。

（3）接線或插拔元器件、芯片時要斷電。

六、思考題

(1) 推導傳感器采用恒流源供電與恒壓源供電時單臂電橋的輸出表達式，及非線性誤差，進一步說明恒流源供電的好處。

(2) 推導恒壓源供電時，單臂電橋、雙臂電橋和四臂全橋輸出表達式，進一步說明四臂全橋好處。

附錄：本設計使用的傳感器主要參數(shù)

量程：3.8ｋｇ㎏

輸出靈敏度：1.8±10%mV/V

非線性：0.02%

滯后：0.02%

蠕變：0.02%

重復性：0.02%

零點輸出：±1%

溫度靈敏度漂移：0.002%℃

溫度零點漂移：0.005%℃

輸入阻抗：405±15Ω

輸出阻抗：350±15Ω

絕緣阻抗：≥2000Ω

激勵電壓：10V

溫度補償范圍：-10～+50℃

工作溫度范圍：-20～+60℃

超載能力：150%

彈性體材料：LY-12