1、工业系统测量,力的测量,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,2,引言,测量系统的基本组成：传感器+信号调理电路； 实现对力的测量，要设计测力的传感器及其相应的调理电路； 思考：力能引起什么变化呢？ 思考：如何将力转换成电信号呢？,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,3,引言制作力传感器,力会引起什么变化？ 如何将力信号转换成电信号呢？ 转换成哪种电信号呢？ （u/i/R/C/L/B等） 弹簧秤：力位移 电阻应变片：力电阻 压电陶瓷：力电压 弹簧滑动变阻器：力电阻 振动：变化的力变化的电信号,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,4,电阻应变原理,设体积为V； 原长为
2、l0，横截面积为S0； 加力 f 后长度为l，横截面积为S； 长度变化为Dl，电阻变化为Dr。,胡克定律,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,5,电阻应变原理,电阻应变片受力，阻值发生变化； 电阻的变化与受力成正比； 受拉力，电阻增大； 受压力，电阻减小。,胡克定律,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,6,电阻应变原理,目的：把电阻的变化转换成电信号的变化。问题：有用信号u很小，且夹杂在一个很大却无用的U0上，结果看到的基本是U0 “大数吃小数”：103+0.1103 如何把加力后电压的变化u从u中取出来呢？,电 压,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,7,差动原
3、理海面浪花高度的测量,以海底为基准：误差很大，甚至无法测量； 以海平面为基准：容易。,关键是： “基准”的选取,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,8,差动原理,在信号的调理中，常见一个微弱的信号夹杂在一个很大的直流电平中，而只有微弱信号是有用的，要进行微弱信号的提取，这在信号处理中有深入的探讨； 在此处，使用一种简单的方法电桥来处理。,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,9,差动原理电桥,问题1：由于受力使得电阻应变片的阻值发生变化，从而引起ab两点之间的电压发生变化，研究电压变化情况可以获取阻值变化情况，进一步获取受力情况。 问题2：电压变化量u与受力之间的关系是否线性
4、呢？,常画成,基准,数学中相减， 电路中：电势差,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,10,差动原理电桥,电桥：只有一个电阻应变片,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,11,差动原理电桥,采用半桥的电桥，一个受拉力，一个受压力，且受力相等：,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,12,差动原理电桥,采用全桥的电桥，其一对边同时受拉，另一对边同时受压，且受力相等：,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,13,差动原理电桥,采用全桥或者半桥的桥路接法，ab两点之间的电压变化与阻值变化成比例： 前提：采用半桥接法时，确保半桥上一个电阻应变片受拉力，另一个受压力，且
5、受力相等； 前提：采用全桥接法时，确保全桥上一组对边上的电阻应变片受拉力，另一组对边上的电阻应变片受压力，且受力相等。,问题1：上述条件如何满足呢？ 问题2：u很小，即uab很小，一般只有几毫伏，直接测量误差会很大，需要放大！ 问题3：如果放大到几伏，该选取什么样的调理电路呢？,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,14,测力的称重传感器,采用XYL-1型电桥式称重传感器，其性能指标如下： 量程为200kg； 如果加10V直流工作电压，在0200kg范围内，被测力引起的电桥失衡能输出的电压uab 为020mV； uab与力成正比。 思考：桥路中采用全桥或者半桥方式才能保证输出电压与电阻
6、的变化成正比关系！ 该类型传感器采用全桥接法，另外，依靠机械结构保证了受力和发生形变的关系。,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,15,力的放大杠杆机构,采用全桥接法，机械结构设计满足了同时受拉力和压力相等； 杠杆机构：实现力的“传递”和“放大”。 机构：实现力或运动的“传递”与“变换”的装置。机械上的变换,放大：,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,16,差动原理差动放大,利用运放构建差动放大电路：差动放大电路可实现对两点电势之差进行放大。,由“虚通”和“虚断”概念出发，推导该电路输出与输入之间的关系：,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,17,力测量系统,称重
7、传感器,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,18,力测量系统,采用差动放大器进行信号调理，由参数可知，放大倍数为100，将获取的电压除以100就得到传感器的输出电压； 根据传感器的性能指标，即可获取力的大小，实现对力的测量。,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,19,训练内容1：传感器特性测试,给传感器提供+10V的工作电压； 未施加力时，使用数字万用表分别测量a点和b点的电压以及电压uab； 施加力时，测量a点和b点的电压以及电压uab。 注意：仔细观察施加力前后ab两点的电压变化情况以及电压uab变化情况。,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,20,训练内容2
8、：握力的测量,依据电路图接线，构成完整的测力系统； 利用力测量系统测量你的最大握力； 利用示波器读出输出的电压； 阅读P42最后一段，由测得的电压值计算你的握力大小。uo= ; F = 。 注意事项：两个同学分别测量各自的握力，请勿拿此装置比试握力大小！,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,21,训练电路板简介,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,22,力测量系统的接线示意图,电路的检测方法： 检查电源供电是否正常？ 检测称重传感器的输出uab； 传感器正常，再检测差动放大部分 有问题，检查连接点导线,直流电源的使用： 开启之前逆时针旋到底 “跟踪”按下,接线顺序： 差动放
9、大电路 称重传感器 电源 示波器,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,23,训练内容：握力的计算及误差分析,F： 0200kguab： 020mVuo： 02VF = 100uo（说明：此公式仅从数值上成立！） 注意： 此处测量的力F并非你的实际握力，而是经过杠杆机构放大的力； 电源提供的工作电压是否为10V也会对测量结果造成较大的误差； 不施加力时，输出电压uo理论上应该为0V，但实际中不是0V，为什么？测量中如何处理？,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,24,思考,电桥平衡的一般条件是什么？ 仅在一个桥臂上用应变电阻能使电桥失衡电压与力成正比吗? 如果差动放大器输出信号不足以带动磁电式电压表指针偏转，应如何解决？ 在力测量电路中，当力为0时，差动放大器输出电压uo不是0V，这可能是什么原因造成的？ 称重传感器受力变形部位的材料应具有弹性，我们希望材料的弹性形变大一些还是小一些？,2019/5/17,西安交通大学工程训练中心,25,小结,杠杆机构：实现力的机械放大 电桥：为电路设计一个“基准”。测量之前应该先调节电桥平衡。 当信号很微弱时，可以使用放大电路对信号进行放大，如：差动放大、同相/反相比例放大等。,称重传感器,
