汽車衡廠家談地磅電阻應(yīng)變式稱重傳感器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的好壞主要是由實(shí)驗(yàn)內(nèi)容決定的。學(xué)生普遍對(duì)日常生活中比較熟悉的具體應(yīng)用感興趣，將具體的應(yīng)用實(shí)例引入到教學(xué)實(shí)踐能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)出學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，收到意想不到的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。汽車衡廠家通過(guò)介紹電阻應(yīng)變式低量程廚房秤稱重傳感器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)、實(shí)用電路設(shè)計(jì)等，闡述了怎樣將電阻應(yīng)變式稱重傳感器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想方法和實(shí)踐操作過(guò)程。提煉的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想和方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有一定的參考價(jià)值。

長(zhǎng)期以來(lái)，我們國(guó)家的高等教育都偏重于理論教學(xué)，學(xué)生對(duì)理論計(jì)算非常熟練，可是當(dāng)涉及到一些實(shí)際應(yīng)用時(shí)，與國(guó)外的學(xué)生相比，還存在一定的差距，因此，大連理工大學(xué)“模擬電路實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革的重點(diǎn)放在為學(xué)生設(shè)計(jì)日常生活中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例 幫助學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握常用傳感器的使用方法，改進(jìn)了以往單純以波形發(fā)生器所產(chǎn)生的輸出信號(hào)作為待處理信號(hào)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的好壞主要是由實(shí)驗(yàn)內(nèi)容決定的，好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)出學(xué)生探索未知世界的好奇心和學(xué)習(xí)熱情因此，在“模擬電路實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中，將日常生活中經(jīng)常見(jiàn)到的電阻應(yīng)變式稱重傳感器作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究對(duì)象和使用對(duì)象。

一、汽車衡廠家談電阻應(yīng)變式稱重傳感器

電阻應(yīng)變式稱重傳感器，以下簡(jiǎn)稱“傳感器”在實(shí)際生活中有著非常廣泛的應(yīng)用如測(cè)力、測(cè)扭矩、測(cè)重量等 其主要利用安裝在彈性體上的應(yīng)變片在外載荷作用下，彈性體發(fā)生形變而引起應(yīng)變片電阻的變化，通過(guò)檢測(cè)應(yīng)變片電阻的變化來(lái)計(jì)算外載荷的變化 再通過(guò)標(biāo)定、計(jì)算求出傳感器所受的外載荷，完成測(cè)試。

在地磅和自動(dòng)稱量技術(shù)中，測(cè)量物體的重量是學(xué)生非常熟悉的具體應(yīng)用，很多學(xué)生對(duì)這一類的具體應(yīng)用非常感興趣，很想通過(guò)具體的實(shí)踐操作掌握使用電阻應(yīng)變式稱重傳感器的電路設(shè)計(jì)方法。

二、汽車衡廠家談傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變式稱重傳感器采用了惠斯通電橋電路的設(shè)計(jì)方式，如圖 1 所示。

三、汽車衡廠家談傳感器主要技術(shù)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生自己查閱生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品技術(shù)資料，學(xué)習(xí)并了解器件的參數(shù)和性能，學(xué)會(huì)根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品技術(shù)資料設(shè)計(jì)實(shí)用電路。

實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握的電阻應(yīng)變式稱重傳感器的主要技術(shù)參數(shù)有:

( 1) 額定載荷( FS)

額定載荷是指?jìng)鞲衅魉试S的承載范圍。為便于實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)選用了額定荷載為 5kg 的小量程廚房秤稱重傳感器; 實(shí)驗(yàn)用秤架也借用了現(xiàn)成的廚房秤秤架; 載荷采用的是標(biāo)準(zhǔn)砝碼。

( 2) 靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅髟趩挝患?lì)電壓信號(hào)作用下，滿載荷時(shí)輸出電壓的變化量。多數(shù)電阻應(yīng)變式稱重傳感器的靈敏度是 2．0mV /V，也就是說(shuō)，當(dāng)激勵(lì)電壓信號(hào)為 5V 時(shí)，加載滿量程載荷，傳感器的輸出電壓為 10mV。

( 3) 零點(diǎn)輸出

零點(diǎn)輸出是指在規(guī)定條件下，稱重傳感器在無(wú)外載荷作用下的輸出電壓。通常情況下，電阻應(yīng)變式稱重傳感器的零點(diǎn)輸出電壓為 ± 2% FS。零點(diǎn)輸出受環(huán)境溫度影響較大，當(dāng)溫度變化較大時(shí)會(huì)引起較大的零點(diǎn)溫度漂移。通常情況下，傳感器生產(chǎn)廠家都會(huì)對(duì)傳感器的零點(diǎn)溫度漂移做補(bǔ)償處理 。 ( 4)輸入阻抗輸入阻抗是指?jìng)鞲衅鬏斎攵说牡刃ё杩?。其大小將直接體現(xiàn)在傳感器的功耗上。設(shè)計(jì)電池供電產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)選用輸入阻抗略大的傳感器使用。該實(shí)驗(yàn)所選用傳感器的輸入阻抗為 410 ± 30Ω。

( 5) 輸出阻抗

輸出阻抗是指在傳感器輸出端測(cè)得的阻抗。其大小會(huì)影響下一級(jí)放大電路輸入阻抗的選擇。傳感器輸出阻抗越小，其驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)所選用傳感器的輸出阻抗為 350 ± 2Ω。

四、汽車衡廠家談放大電路的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中所選用的稱重傳感器是由一種鋁合金材料制成的小量程懸臂梁型稱重傳感器，其惠斯通電橋輸出信號(hào)為差模電壓信號(hào)。

由于生產(chǎn)材料和制造工藝等的制約，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，其 4 個(gè)橋臂的電阻值很難做到*平衡，因此，稱重傳感器在無(wú)外載荷作用時(shí)，存在輸出信號(hào)，即存在零點(diǎn)輸出。設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，應(yīng)該考慮將零點(diǎn)輸出去除。

由以上分析可知，稱重傳感器的輸出信號(hào)是差模信號(hào)，其輸出存在零點(diǎn)誤差，因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)，推薦學(xué)生使用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)可以放大差模輸入信號(hào)的儀表放大器，如圖 2 所示。

五、延伸設(shè)計(jì)

經(jīng)儀表放大器處理后的模擬信號(hào)需經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)送給 MCU 處理后，再送到顯示電路顯示出來(lái)。這部分內(nèi)容需要學(xué)生學(xué)完后續(xù)數(shù)字電路和單片機(jī)等課程后方能繼續(xù)完成。

為了讓學(xué)生對(duì)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)有一個(gè)整體概念，該實(shí)驗(yàn)向?qū)W生介紹一款含有內(nèi)置增益可調(diào)放大電路的AD 芯片 HX712。圖 3 是用 HX712 設(shè)計(jì)的廚房秤系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖。感興趣的學(xué)生可以提前自學(xué)該芯片以完成系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。在圖 3 中，傳感器的差模輸出信號(hào)經(jīng)過(guò) AMP 放大和 AD 處理后，通過(guò)接口電路送到 MCU 進(jìn)行處理，MCU 完成與鍵盤和顯示器的通信，將測(cè)得的結(jié)果顯示出來(lái)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路時(shí)，傳感器的零點(diǎn)輸出可以用數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的方式去除，即在不加外載荷時(shí)，測(cè)出零點(diǎn)輸出并將其暫存，當(dāng)加上外載荷后，測(cè)得的結(jié)果需要將該暫存的零點(diǎn)輸出減掉，以實(shí)現(xiàn)稱重顯示控制儀表的自動(dòng)調(diào)零。