小型称重系统的设计.docx

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1、第一章 小型称重系统的意义及任务1.1小型称重系统的概述及意义定义：称重系统一一把现有各个生产环节的称重设备有机的组合 到一个控制系统中，利用现代网络技术进行控制和管理。狭义的称重系统：利用简单的电子衡器（如：电子台秤，大型汽 车衡等）增加控制系统和计算机称重管理软件实现某个生产环节的自 动控制和管理功能。比如：企业生产中的配料、包装系统，进行控制、 管理，实现称重数据的保存、管理、打印输出等功能。广义的称重系统：整个工厂的所有称重设备，通过现场总线或局 域网方式进行控制和管理，它还可以向上位的MRPII或ERP系统提供 数据和预留数据接口。现在，已经有许多自动化程度较高的企业应用了称重系统，

2、例如： 食品加工、石油化工、水泥制造、电力供应等行业。随着社会科技的发展，称重技术也得到了广泛的应用。称重工具 已经从过去的“杆秤”、“磅秤”、度盘指针秤”发展到现在的“电子秤”，以后称重工具的发展方向是利用核子技术“非接触测量”的 核子秤。现在利用电子秤的多种智能接口和计算机的应用软件技术就 可以组成一个功能强大的称重系统。利用这个称重系统就可以有效的 提高企业智能化的科学管理，从而提高企业生产过程的管理和科学决 策水平，提高企业的综合效益。1.2虚拟仪器虚拟仪器是随着计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来的一 种新型仪器.在国外，虚拟仪器技术已经比较成熟了，由于其很强的灵 活性，使得该

3、技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年， 虚拟仪器技术在国内的发展趋势也越来越收到重视。成熟的虚拟仪器 技术由三大部分组：高效的软件编程环境，模块化仪器和一个支持模 块化I/O集成的开放的硬件构架，该课程设计的目的就是，通过一些 功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的了解。1.3小型称重系统设计的任务利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。首先在multisim中设计出应变片的仿真模型和测量电路，然后 在labview中利用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值，最后 把设计好的子VI导入到multisim中以完成整个设计。本课程设计分为两部分：一、测量电路的原理与设计

4、 二：LabVIEW虚拟仪器的设计。这两部分具体要求和功能如下:一、测量电路的原理与设计1、在multisim中设计出应变片的仿真模型和测量电路。2、测量电路包括综合电路的设计和综合电路的仿真。3、电压V用来模拟物体质量m。二、LabVIEW虚拟仪器的设计1、在LabVIEW中用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值。2、将设计好的子VI模块图标导入到Multisim中。1.4小型称重系统设计的系统框图本系统总体框图如下：电桥电路：将电阻变化率户专换成电压（或电流）。 仪用放大电路：差分放大电路的作用是“滤去噪声，降低漂移”， 反向比例放大电路的作用是“将双端输入变成单端输入并放大电压”。 比

5、例放大电路：方便调节，并将输出信号反相。 显示模块：将做好的子VI模块化，即为综合电路中的XMM1。第二章 测量电路的原理与设计2.1模型的建立电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，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 的电阻体，其阻值随着压力的变化而变化。对于金属导体，导体变化 率竺的表达式为：R竺-(1+2p)R式中：p为材料的泊松系数；为应变量。通常把单位应变所引起电阻值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：K = M R =(1+2口 )0所以：竺=K 在外力作用下，应变片产生变化，同时应变片电阻也发生相应变 化。当测得阻

6、值变化为AR时，可得到应变值，根据应力与应变关 系，得到应力值为：O = E式中：。为应力；为应变量(为轴向应变)；E为材料的弹性模 量(kg / mm2 )。又知，重力G与应力。的关系为G=mg = os式中：G为重力；S为应变片截面积。根据以上各式可得到：竺=匕mgR ES由此便得出应变片电阻值变化与物体质量的关系，即R=匕RmgES根据应变片常用的材料（康铜），取K=2，E=16300kg/tem2，R= ( 2x9.8x348 ) /s=100mm 2 ，R=348Q,g=9.8mS，(16300x100) m=4.185x10-3m。所以multisim可用建立以下模型代替应变片进行

7、仿真。模型如下在图中，R模拟的是不受压力时的电阻R，压控电阻用来模拟电 阻值的变化AR，V可以理解为物体的质量m（kg）。当V反接时， 表示受力相反。2.2测量电路的设计及原理此部分包括电桥部分电路原理、放大电路原理、综合电路设计和综合电路仿真。2.2.1电桥部分电路原理电阻应变计把机械应变转换成aR/R后，应变电阻变化一般都很 小，这样小的电阻变化既难以直接精准测量，又不便于直接处理。因 此必须采用转换电路，把应变计的aR/R变化转换成电压或是电流的 变化。通常采用惠斯登电桥电路实现这种转换。如图所示的直流电桥中U。当电桥平衡时，相对的两臂电阻值乘积相等，即:R XR =R XRU -(R

8、/ R )(AR / R )U o 4311U(1+ AR / R + R / R )(1 + R / R ) i112143设桥臂比n-R /R，由于 R R，分母中乙R /R可忽略，于是211111U F n 巴。i (1 + n)2 R1电桥的灵敏度定义为：S 一Uo U 一-一V AR / Ri (1 + n)2分析该式发现：1.电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高；但是供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所 以一般供电电压应适当选择。2.电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，必须适当选择桥臂 比n的值，保证电桥具有较高的灵敏度。由土 0求S的最大值，

9、由此得dU 1 - n 2 =odn (1 + n)4求得n1时，S最大，也就是供电电压确定后，当R. R ,R R 时，电桥的电压的灵敏度最大，此时可得到U 1ARU - U31由上式可知当电源电压U和电阻相对变化&/& 一定时，电桥 的输出电压及其灵敏度也是定值。且与各桥臂阻值大小无关。由于上面的分析中忽略了 R1/R、所以存在非线性误差，解决的 办法有：1）提高臂桥比。提高了臂桥比，非线性误差可以减小。但从电 压灵敏度S Q:q考虑，灵敏度降低了，这是一种矛盾，因此采用 这种方法的时候应该适当提高供桥电压U。2）采用差动电桥。根据被测试件的受力情况，若使用一个应变 片受拉，另一个受压，则

10、应变符号相反；测试时，将两个应变片接入 电桥的相邻臂上，成为半桥差动电路，则电桥输出电压U。为U =U（RR一匕） O i R +AR + R -ARR + R112234若乙 = R2, R= R2, R3 = R4,则有U 疽2u R1由此可知，UO和AR1/ R1成线性关系，差动电桥无非线性误差。 此时，电压灵敏度为s=_L U，比使用一只应变片时提高了一倍，同 时可以起到温度补偿的作用。若将电桥四臂接入4个应变片，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的应变片接入相对臂上，则构成全桥差动电路，如满 足AR1 = AR2 = AR3 = AR4，则输出电压为U o=U ARS = U由

11、此可知差动电桥的输出电压U。和电压灵敏度比用单片时提过 了四倍，比半桥差动电路提过了一倍。因为采用的是金属应变片测量，所以本设计采用全桥电路，能 够有比较好的灵敏度并且不存在非线性误差。2.2.2放大电路原理放大电路主要采用如下图所示的仪用放大电路。|W,12 V 汁气、*-VA-j|M12 VX图一一仪用放大电路图一一比例放大电路该放大电路具有很强的共模抑制比。它由两级放大器组成，第1级由集成运算放大器 2组成，由于他们采用同一型号的运算放大器，所以可进一步降低漂移。电阻,R2和R组成同相输入式并 联差分放大器，具有非常高的输入阻抗。第2级是由1个运算放大器A3和4个电阻R4，R5，R6和R

12、7组成反向比例放大器，将双端输入变成 单端输出。阻值R =R，R =R，R =R。134567根据运算电路基本分析方法，可得到输出电压U =一 土 (1+2曳)(U -U )0R4R2I I为了方便调节，再加一级比例放大器，同时将仪用放大电路输出 的信号反向，如上图所示。R为调零电阻。图-基于金属电阻应变片的全桥电路至此，基于金属电阻应变片的压力测量电路设计完成，如上图所 示。图中的V1，V2，V3，V4指代的是同一电压V （考虑到方便电 路绘制及保持电路元件符号不能重复，所以分开符号），电压V用来 模拟物体质量m。由以上分析可知，采用全桥电路能够有比较好的灵 敏度，并且不存在非线性误差，所以

13、由4个应变片（两个受拉，两个 受压）可组成全桥电路，应变片的受拉受压情况如图中标注。Arir2ArRr3在图中，R亿为一调零电阻，用来调节电桥平衡。由于被测应变片 的性能差异及引线的分布电容的容抗等原因，电桥的初始平衡条件和 输出特性会受到影响，因此必须对电桥预调平衡，图中用了电阻并联 法进行电桥调零。电阻R5决定可调的范围，R5越小，可调的范围越 大，但测量误差也大。R5可按下式确定max式中：为R与R的偏差；为R与R的偏差。此处的 124213电阻值应变片的初始值。在图中，R *为增益调节电阻；R w4是放大电路调零电阻。电路 中所选用的放大器是OP07CP，它是一种低噪声、低偏置电压的运

14、算 放大器。此外，二极管D3和D4可对电路起到保护作用。此外，当采用交流电供电时，由于导线间存在分布电容，这相当 于在应变片上并联了一个电容，为消除分布电容对输出的影响，可采 用电容调零，为采用阻容调零法的电桥电路，该电桥接入了 T形RC 阻容电路，可调节电阻使电桥达到平衡状态。2.2.4综合电路仿真将仪用放大电路的两输入端接地，滑动变阻器Rw2调到最小值， 即使放大电路的放大倍数调到最大，然后调节R4，使电路的输出近 似为零。放大电路部分调零完成后，再和电桥电路相连，将模拟物体 质量的电压源的值设为零，调节人亿，使电路的输出为零，从而完成 电桥调零。电路参数调好以后，再以对电路进行仿真。1.

15、直流工作点分析当电路中模拟物体质量的电压源的值设为零时，选择菜单栏 SimulateAnalyses下的“直流工作点分析”命令，观察此时综合电 路中输出端16和仪用放大电路两输出端26和40的直流电压值，如 下图所示。电路调零后，当物体的质量为零时，电路的输出端16的 电压近似为零。直流工作点分析结果2.直流扫描分析现在来分析当物体质量逐渐增加时，输出电压与质量的关系。对 于本设计，也就是当模拟质量m的电压源的值V变化时，观察电路输 出电压的变化情况。选择菜单栏选择菜单栏SimulateAnalyses下的 “直流扫描分析”命令，弹出“扫描设置”对话框，在图中选择要扫 描的直流源。在电路中把匕

16、q用一个电流源V代替，所以直流源 就选vv。在图中选择观察输出点，输出节点应选节点16。参数设置 好后，单击Simulate按钮，可得直流传输特性图，即质量变化时输出 电压的变化曲线图。由图可知，输出电压的线性度较好。Grapher ieFile Edit View Tools Q 若电窿 曲目冒麻聪愈冷朗废|剧R700tnDC SweepDC SweepCircuitlDC Transfer Characteristic500tn300m100m-lOOtn50tn100m150tn200：w!5 Voltage (V)Selected Trace: V (16)质量变化时输出电压的变化曲线

17、3.交流分析将仪用放大电路的输入端改接交流源，电路的输出节点依然选择 节点16,观察电路的交流特性，如图可看到放大电路的通带放大倍 数约为100倍，在输入信号的频率大于1kHz时，放大倍数有所下降。芬Grapher VieFile Edit View ToolsAC AnalysisD咨田口 el *鬼百口曲目枝毁Q百酸够忐成|冷朗J3 M 0 PlotterhxxJl-SLVI R 0.03348第五章小型称重系统设计小结5.1设计过程中遇到的问题及解决方案。1、在分析电桥部分电路原理，为什么没有采用单臂电桥？答：在分析过程中，我们很容易想到经常使用的单臂电桥，但发 现灵敏度不够高，而如将电

18、桥四臂接入4个应变片，两个受拉，两个 受压，构成全桥差动电路，灵敏度提高了 4倍。并且不存在非线性误 差。2、为什么采用仪用放大电路和比例放大电路，而不是一般的放大电 路？答：仪用放大电路的第一级是差分放大器，可以滤掉噪声，降低 漂移，这对于后面提取信号，分析综合电路工作点具有重要意义。而 比例放大电路将信号反相且放大。3、综合电路仿真过程中的数据和理论存在误差，可能是由于参数的 设置不同而造成的。4、在子VI设计图中，为什么会出现固定的常数，如118.4,348等？答:这些常数的设置是通过实验电路图中将电压U转换成质量m 时产生的对应的数据。5、在接口电路的设计与编译中，遇到无法找到有些部分

19、数据的设置 窗口以及设计好的子VI导入到multisim中？答：造成无法打开有些数据设置窗口的原因是软件版本的不同， 所以在做实验过程中也不用一味按照书本上得步骤来，可以通过查阅 其它书籍的方式来完成课程设计。5.2本次课程设计的心得体会Multisim软件界面形象直观，操作方便，分析功能强大，易学易 用。作为电子信息科与学技术专业的本科生，应该学会利用该软件来 完成我们的电路分析和工程设计，它可以提高设计效率，减少设计系 统开发时间。本次课程设计通过Multisim对应变测量电路进行仿真设计，电 路的输出电压经LabVIEW虚拟仪器仿真后，可直接显示重量值、应 变值及其他参数信息，使设计目的明确，显示详细；而且，通过软件 设计的显示模块在精确度上比硬件更强，更不易受干扰。参考文献： Multisim&LabVIEW虚拟仪器设计技术 周景润 郝晓霞编著北京航空航天大学出版社。2008. LabVIEW大学实用教程（第三版）【美Jeffrey Travis， Jim Kring著，乔瑞萍 等译。北京，电子工业出版社。 LabVIEW程序设计与应用 杨乐平，李海涛等编著，北京， 电子工业出版社，2001。