燕山大学课程设计说明书
dRd? （2.1.1-5） ???2???R?：
对金属材料，导电率不变，式（2.1.1-5最终可化简
为
dR?(1?2?)??K? （2.1.1-6） R式（2.1.1-6)称为“应变效应”的表达式。K称为金属电阻丝的灵敏度系数，从式（2.1.1-6)中可知，对于金属电阻应变片，电阻的相对变化只跟金属电阻丝的灵敏度系数K有关，通常有K?2。?通常很小，常用10?6表示。在应变测量中，也常将之称为微应变?u??。对金属材料而言，当它受力所产生的轴向应变最好不大于10000，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。
因此，可以通过测量电阻应变片的电阻变化来达到测量应变的目的。
2.1.2 弹性元件
本设计以等强度梁为弹性元件。等强度梁的结构如图2.1.2-1所示，是一种特殊的悬臂梁。其特点是：沿梁的长度方向的截面按一定规律变化，集中力F作用在两端三角顶点上时，距作用力任何距离截面的应力相等，故在对L上黏贴应变片位置要求不严。假设梁的固定端宽度为b0，自由端的宽度为b，梁长为L，梁厚为H。
图2.1.2—1 等强度梁的结构示意图
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根据悬臂梁的特性，当重力作用在自由端是，最大弯曲应力为
??6l w （2.1.2-1）
b0h2则应变为：
???E?6l w （2.1.2-2）2b0hE式中， W---------被测物体重力 H-----------梁的厚度 b0---------固定端宽度 L-------------梁长 E -------------弹性模量
根据式(2.1.2-1)和弹性强度理论，可写出强度条件：
??
6l w?[?] （2.1.2-3）2b0h2.2 匹配电路的设计
2.2.1 元器件选择与功能描述
限制量程宽度和分辨率的因素主要有悬臂梁的强度、电阻应变片的的线性范围、放大电路的放大特性和AD转换电路的量程。其中任何一个因素变化都会影响电子称测量效果。只有选择适当的参数才可以满足设计的要求。
经过计算与分析，选用常用的1000Ω的金属应变片组成全桥电路，采用OP07组成的仪用放大器进行微弱信号放大。用AD7705作为模数转换器采样输出电压，并利用AT89C52单片机进行软件较零，最后输出到数目管显示数据。
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下图是所设计电子称得工作流程图。
图2.2.1-1 工作流程图
所设计电子称具有2000g的量程和1g的分辨率，能够达到设计要求。
2.2.2 测量电路的设计
为了消除非线性误差及温度误差对测量结果的影响，设计的电阻应变式采用四臂差动式电桥测量电阻。距固定端较近的表面顺着亮的长度方向分别贴上R1,R3，和R2，R4(R2，R3在底部)的电阻应变片，如图2.2.2-1所示。若R1，R3承受拉力，则R2，R4承受压力。两者应变相等，极性相反。
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因此有：
?R1??R3??R，?R2??R4???R （2.2.2-1）
图2.2.2-1 电阻应变片的安装示意图
则差动全桥输出电压公式为：
U0?US?R （2.2.2-2） R 因此，电桥输出电压U0与
?R成严格的线性关系，消除了电桥非线性的R影响，也消除了温度误差的影响。输出比单臂电桥增大四倍，灵敏度也提高四倍。
由上述所示公式推导出?R?K?R,所以?R的取值范围为0到20Ω。仿真中用980Ω的固定电阻和40Ω的滑动变阻器等效替代1000Ω的应变片。其等效电路如图所示。
图2.2.2-2 ?R?0时的测量电桥
由式（2.2.2-2)可得
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U06LW?2KUbhE （2.2.2-3）S0
U0?
6LWK0USb0h2E （2.2.2-4）
式（2.2.2-4）就是传感器的输出电压
U0与重力W之间的对应函数关系。
一旦系统设计完成，等式右边W前面部分就是一个常数，
2.2.3 差动放大电路单元
U0?W.。
经过计算与分析，当采用正5V电源供电时，1g物体对应的压力导致的输出的电压约为0.05mv,是非常微弱的电压信号。要想使AD能够不失真的转换此信号，需要对该微弱信号进行进一步的处理。本设计选用的放大电路为仪用放大器。
该仪用放大器由三个OP07组成。OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由三个运算放大器构成的仪表放大器具有以下特点：输入缓冲电路增加了输入阻抗，差分电压按[12*(/)]FGRR的增益系数被放大，而共模信号讲义单位增益通过输入缓冲器，即不增加共模增益和误差；改变滑动变阻器的阻值即可调整差分增益；用实现了输出级点则比率匹配方式调节共模抑制比CMRR。因为调节电阻的比率比调整电阻的绝对值要容易；另外，由于仪表放大器在结构上的对称性，输入放大器的共模误差将被输出级的减法器消除。因此，仪表放大器常被用来放大桥接传感器的差分输出以及维系电桥接收器输出信号，并同时抑制较大的共模电压。
本设计结合差动电桥的输出电压与AD转换器件的灵敏度，将电桥的输出电压放大35倍。增益G=35，RG选择1000Ω的阻值，放大器电路连接图如
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电子称的设计 传感器.
