教具制作之应变式传感器测量模块设计


  摘 要:电阻式传感器是生产、生活、以及日常教学中应用最为广泛的传感器之一,受教材中例题、习题的启发,利用现有的废旧传感器,将传感器信号检测电路制成示教板,并将该教具用于日常的教学实践过程中。
  关键词:教具制作;应变式;测量模块;设计
  我校目前有多个专业(测控技术与仪器、电子信息工程、机械设计制造及其自动化、车辆工程等)开设传感器系列(如传感器与现代检测技术、感测技术、机械工程测试技术等)课程,教具的研究及制作在我校应用前景广阔,受益的学生众多。受教材中例题、习题的启发,笔者利用生活中的常用的传感器元件、新课程介绍的传感器种类,以贴近生活的方式,研究传感器教具,并制成示教板。示范教学,深化书本知识,强化工程应用。设计和制作直观具体、形象生动的教具,能很好地诠释教学的重、难点,从而实现从感性到理性,从具体到抽象,从简单到复杂的教学目标。
  在我们学校实验室中,针对开设课程所购置的实验设备有许多已经老化,致使学生在实验课程中无法获得较为准确的数据结果。本文在实验室现有传感器的基础上分析传感器的工作原理、基本结构、相关特性,探讨并设计了应变式传感器的信号检测电路,检测电路涵盖了电桥测量以及调零电路、仪器放大器、差放调零电路三大模块,在电路仿真的基础上设计印刷电路板,制作硬件电路最终通过调试。该教具的制作,在利废、利旧、因陋就简、材料低廉的基础上,改变了传统的教学手段、工具较为单一的现象,有效地降低教学难度、加深实物印象、提高课堂效率、拓展学生思维,它将教师的教育观念和教学经验表达的更加地直观,它将书本上的知识升华为看得见、摸得着的东西。
  一、 应变式传感器工作原理
  电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形,然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化,再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测,如力、压力、加速度、力矩、重量等,在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
  所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变,这一物理现象称为“电阻应变效应”。
  二、信号检测电路设计
  应变式传感器以应变效应为基础的,其电阻随应变的变化非常微弱,为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号,在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求,因此在应变测量中得到了广泛的应用。
  电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种,单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差;双臂输出是单臂的两倍,性能比单臂有所改善;全桥工作时的输出是单臂时的四倍,性能最好。因此,为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。
  为了调节电桥的初始平衡状态,在电桥电路上加了调零用的滑线变阻器。
  由电桥电路输出的信号比较微弱,本文作者选用了仪器放大电路进行信号放大。电路中三个运放按比例运算电路的形式连接,可分为两级差分放大器电路。A1、A2按同向差分输入方式连接组成第一级,同向输入大幅度提高了输入电阻,减小了电路对微弱信号的衰减。A1、A2对称结构互相抵消飘移和失调。差分输入只放大差模信号,对共模信号只起跟随作用,使得送到后级的共模抑制比(CMRR)得到提高;A3构成的第二级将差分输入转换成为单端输出。此电路比简单的差分放大电路具备更好的共模抑制能力。
  它的主要特点是高增益、高共模抑制比、高输入电阻、低线性误差和低失调飘移增益等。
  为了调节运算放大器的零点漂移(主要是调节温度带来的误差影响),仪器放大器后面再增加一个调零放大电路。
  至此,硬件电路设计的方案形成。总的硬件电路框图如下:
  三、Multisim软件仿真
  有了前面的硬件电路部分,接下来的任务就是采用Multisim电路进行软件仿真,在对仿真数据进行分析的基础上,合理地调整元器件的参数设置,对电桥电路、仪器放大电路、调零放大电路三个部分分别进行仿真。在仿真中,笔者没法设置非电参数的变化,只能四个电阻应变片均设置为滑线变阻器,分析检测电路最终输出的电压信号是否与电阻变化成对应关系,以此来检测电路的设置是否合理。
  四、PCB制作
  在仿真结果有效的基础上,利用DXP2004软件设计原理图及PCB图,根据实验室制板的条件以及仿真的结果选择合适的元器件封装及型号,设计出大小合适的单面板。
  五、元器件焊接及电路调试
  在单面板上将元器件焊接好,并将实验室的电子秤传感器模块与制作的信号检测模块连接好,进行测量并调试,最终结果符合预期。
  六、结论
  本文在分析电阻应变传感器的工作原理的基础上,探讨了应变式传感器检测电路的设计方案,通过对电桥电路、仪器放大器电路、调零放大电路的分析选用,最终给出了电路的整体框架,接下来的工作就是对设计的电路进行Multisim软件仿真以及数据分析,通过参数调整,验证设计方案的可行性和实用性。最后的步骤就是使用Protel DXP软件制作印刷电路板,在电路板上进行元件焊接以及功能调试。并将应变式传感器测量模块示教板应用到日常教学过程中。
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  (作者单位:攀枝花学院,四川 攀枝花 617000)