电阻式传感器应用电路设计

课 程 设 计

课 程 传感器课程设计

题 目 电阻式传感器应用电路设计 院 系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师

摘 要

在一些工程实践中，我们不免对力进行测量，在众多测力传感器中，电阻式传感器以其体积小、灵敏度高、频率响应范围大等众多优点得到了广泛的应用。

本设计选用应变式电阻传感器。应变式电阻组成全桥差动电桥，当电阻受到力的作用时，电阻会发生形变导致阻值发生变化，从而使电桥失去平衡产生一个输出值，输出值经放大器放大后，经A/D转换送入单片机，然后由单片机分析处理显示。经过多次测试，证实该系统能长时间稳定工作，完全满足设计要求指标。

本设计能学以致用，充分了解电阻式触感器的应用原理，理论联系实际，能够加深对传感器的理解。

关键词：应变式电阻；放大器；单片机；A/D转换

目 录

一、设计要求 ..................................................... 3 1、功能与用途 .................................................. 3 2、课题意义及产品发展现状 ...................................... 3 二、方案设计 ..................................................... 3 1、方案说明 .................................................... 3 2、方案论证 .................................................... 4 三、电阻应变片式传感器工作原理 ................................... 5 四、电路的工作原理 ............................................... 5 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 ............................. 6 1、单元电路设计 ................................................ 6 2、参数计算 .................................................... 8 3、器件选择 .................................................... 8 六、总结 ........................................................ 10

一 、设计要求

1、功能与用途

电阻式传感器就是利用非电学量（如力、位移、加速度、角速度、温度、光照强度等）的变化，引起电路中电阻的变化，从而把不易测量的非电学量转化为电学量，便于测量，且可以输入计算机进行处理，做这种用途的电阻称为电阻式传感器。大致分为电阻应变式、压阻式、热电阻式、磁电式、光敏电阻式。如将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况。或将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。

2、课题意义及产品发展现状

电阻式传感器和相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。随着人们对测量要求的提高，传统的机械测力方式已不能满足人们的要求，电阻式传感器以其体积小、灵敏度高、频率响应范围大、可靠性好等众多优点得到了广泛的应用。

二、方案设计

1、方案说明

方案一：压电式测力

基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。

应用原理：压电效应。某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应，参考电路如图1所示。

优点：压电式传感器具有反应速率高，灵敏度较强，重复性好，频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

应用领域：压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等领域得到了广泛的应用。

缺点：价格昂贵，且压电系数低，灵敏度低，外接电路复杂。某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

压电传感器 放大电路 A/D转换 显示 图1 方案一原理框图

方案二：电阻应变片式测力

以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。

电阻应变片式传感器的原理：导体或半导体材料在外力（拉力或压力）的作用时，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化，这种因形变而使其阻值发生变化，参考电路如图2所示。

优点：应变灵敏系数大，体积小，电阻率高而稳定，频率响应范围大，无非线性误差，具有温度补偿的作用。精度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

缺点：对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。

电阻传感器 放大电路 A/D转换 显示 图2 方案二原理框图

2、方案论证

通过方案比较，由于方案二的抗干扰能力较强，电路实现简单，故选用方案二。电阻应变片式应用和测量范围广，精度和灵敏度高，频率响应特性好，对复

杂环境的适应性强，经济实惠。

三、电阻应变片式传感器工作原理

设一根金属导体的电阻R为：

L (1)

A如果对其均匀用力，则ρ,L,A的变化dρ,dL,dA将引起电阻dR的变化

L (2) d R   dL  L d   2 dAAAA其相对变化量为：

dRdLddA(3) RLA若电阻丝是圆的，则Ar2，r为电阻丝的半径，则dA2rdr

dAdr2(4) ArdL令   X ,则x为金属丝轴向应变;令 y   x,则y为金属丝径向应变则 Ldry(5) r将(4)和(5)代入(3)中

dRd (6) (12)XR ddR(7) R(12)R令

XxdKS(12)xdRKSSR(8) (9)

根据应力与应变的关系，得σ

E式中σ——试件的应力； ξ——试件的应变；

E ——试件材料的弹性模量（kg/mm2）。

(10)

由此可知，应力值σ正比于应变ξ，而试件应变又正比于电阻值的变化dR，所以应力正比于电阻值的变化。这就是应变片测量应变的基本原理。

四、电路的工作原理

电路的工作原理如图3所示，应变式电阻组成全桥差动电桥，当电阻受到力的作用时，电阻会发生形变导致阻值发生变化，从而使电桥失去平衡产生一个输出值，输出值经放大器放大后，经A/D转换送入单片机，然后由单片机分析处理显示。4个电阻应变片接入全桥差动电路中，在未受外力时，电桥处于平衡状态，其输出为零，为：

UOE(平衡时UO=0,所以

R3R1)R1R2R3R4(11)

R1R4=R2R3 (12)

当受到外力作用时，即两个受拉，两个受压，且满足△R1=△R2=△R3=△R4，则输出电压为：

UOE(

R3R3R1R1）R1R1R2R2R3R3R4R4(13)

UOE差动全桥电路UO与

R1R1(14)

R1 成线性关系，不存在非线性误差，灵敏度高（是单臂R1电桥的四倍），还可以起到温度补偿的作用。其输出电压UO为毫伏级别需经放大器A1放大到伏级别，随后进行A/D转换变换为数字量送入单片机，然后由单片机控制显示器显示。

图3整体电路连接图

五、单元电路设计、参数计算和器件选择

1、单元电路设计

(1) 全桥差动电路

4个电阻应变片接入如图4所示的全桥差动电路中，在未受外力时，电桥处于平衡状态，其输出为零，当收受到外力作用时，原平衡被打破，电桥输出一个电压值。R1R4受拉R2R3受压，变化量都为△R。

图4全桥差动电路图

(2) 放大电路

放大环节选用如图5所示的基本差分放大器，有利于抑制共模干扰（提高电路的共模抑制比）和减小温度漂移。

图5放大环节电路图

(3) 转换、处理环节电路

如图6所示的电路由ADC0809、SUN7474、STC89C52组成。放大后的电压值为模拟量，不能直接送入单片机处理，须经A/D转换为8位数字量后送入单片机处理并显示在LCD1602上。

图6 转换、处理环节电路图

2、参数计算

(1)全桥差动电路

输出电压为：

UOE(2)放大电路

由于电路完全对称，所以

R1 (15) R1R7VOUO (16)

R6由所选电阻参数的放大增益为500。

3、器件选择

(1)R1-R4为电阻应变片。应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易

于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。

(2)R5-R9为普通电阻。

A1为LM324运放。LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器。

(3)U1为ADC0809模数转换器。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成

(4)U2为STC89C52单片机。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

(5)U3为SUN7474触发器。用来分频的（ADC0809频率受限，通常使用频率为500KHZ，用SUN7474分频）。

系统需要的元器件清单

表1 元器件清单 序号 R1-R4 R5-R9 A1 U1 U2 U3 C1-C2 Y1 C3 元器件类型 金属应变片 电阻 运放 A/D转换器 单片机 触发器 瓷片电容 晶振 极性电容 元器件规格 1K 1K LM324 A/DC0809 STC89C52 SUN7474 30p 12M 22u 50V 数量 4 5 1 1 1 1 2 1 1 备注 无 无 无 无 无 无 无 无 无

六、总结

本设计采用全桥差动电路，消除非线性误差，还能起到温度补偿的作用。在放大和转换环节均采用了高性能的芯片，从而避免了搭载电路的不稳定。整套方案能长时间稳定工作，完全满足设计要求指标。从而证明了电阻式传感器就是利用非电学量的变化，引起电路中电阻的变化，从而把不易测量的非电学量转化为电学量，便

于测量，且可以输入计算机进行处理。

通过本次设计，让我们加深了对电阻式传感器的认识和了解，同时在设计过程中也很多收获。首先，在制作电路前必须把原理搞清楚，认真学习，明确实验目的，提前预知方向，确保方案没有错误，同时深刻理解，锻炼了我们分析和解决问题的能力。其次，我们的基本理论都是应用所学知识，让我们深刻认识理论与实践相结合的重要性以及理论与实践存在的差异性，了解自身的不足，知识是否学会并能自主运用。也让我们学会采用不同的途径查询所需资料，并认真学习，更加加深对知识的理解。本次课程设计过后，我们巩固了传感器的有关知识，受益匪浅。能够运用资料，网络和计算机的应用程序熟练制作电路图，学以致用，对以后的工作有很大的帮助。

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