教具制作之應(yīng)變式傳感器測量模塊設(shè)計(jì)

羅毅

摘 要：電阻式傳感器是生產(chǎn)、生活、以及日常教學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一，受教材中例題、習(xí)題的啟發(fā)，利用現(xiàn)有的廢舊傳感器，將傳感器信號檢測電路制成示教板，并將該教具用于日常的教學(xué)實(shí)踐過程中。

關(guān)鍵詞：教具制作；應(yīng)變式；測量模塊；設(shè)計(jì)

我校目前有多個(gè)專業(yè)（測控技術(shù)與儀器、電子信息工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、車輛工程等）開設(shè)傳感器系列（如傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)、感測技術(shù)、機(jī)械工程測試技術(shù)等）課程，教具的研究及制作在我校應(yīng)用前景廣闊，受益的學(xué)生眾多。受教材中例題、習(xí)題的啟發(fā)，筆者利用生活中的常用的傳感器元件、新課程介紹的傳感器種類，以貼近生活的方式，研究傳感器教具，并制成示教板。示范教學(xué)，深化書本知識(shí)，強(qiáng)化工程應(yīng)用。設(shè)計(jì)和制作直觀具體、形象生動(dòng)的教具，能很好地詮釋教學(xué)的重、難點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)從感性到理性，從具體到抽象，從簡單到復(fù)雜的教學(xué)目標(biāo)。

在我們學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中，針對開設(shè)課程所購置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有許多已經(jīng)老化，致使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中無法獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果。本文在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有傳感器的基礎(chǔ)上分析傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、相關(guān)特性，探討并設(shè)計(jì)了應(yīng)變式傳感器的信號檢測電路，檢測電路涵蓋了電橋測量以及調(diào)零電路、儀器放大器、差放調(diào)零電路三大模塊，在電路仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)印刷電路板，制作硬件電路最終通過調(diào)試。該教具的制作，在利廢、利舊、因陋就簡、材料低廉的基礎(chǔ)上，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)手段、工具較為單一的現(xiàn)象，有效地降低教學(xué)難度、加深實(shí)物印象、提高課堂效率、拓展學(xué)生思維，它將教師的教育觀念和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表達(dá)的更加地直觀，它將書本上的知識(shí)升華為看得見、摸得著的東西。

一、 應(yīng)變式傳感器工作原理

電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機(jī)械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。

所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。

二、信號檢測電路設(shè)計(jì)

應(yīng)變式傳感器以應(yīng)變效應(yīng)為基礎(chǔ)的，其電阻隨應(yīng)變的變化非常微弱，為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測量中得到了廣泛的應(yīng)用。

電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作。

為了調(diào)節(jié)電橋的初始平衡狀態(tài)，在電橋電路上加了調(diào)零用的滑線變阻器。

由電橋電路輸出的信號比較微弱，本文作者選用了儀器放大電路進(jìn)行信號放大。電路中三個(gè)運(yùn)放按比例運(yùn)算電路的形式連接，可分為兩級差分放大器電路。A1、A2按同向差分輸入方式連接組成第一級，同向輸入大幅度提高了輸入電阻，減小了電路對微弱信號的衰減。A1、A2對稱結(jié)構(gòu)互相抵消飄移和失調(diào)。差分輸入只放大差模信號，對共模信號只起跟隨作用，使得送到后級的共模抑制比（CMRR）得到提高；A3構(gòu)成的第二級將差分輸入轉(zhuǎn)換成為單端輸出。此電路比簡單的差分放大電路具備更好的共模抑制能力。

它的主要特點(diǎn)是高增益、高共模抑制比、高輸入電阻、低線性誤差和低失調(diào)飄移增益等。

為了調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移（主要是調(diào)節(jié)溫度帶來的誤差影響），儀器放大器后面再增加一個(gè)調(diào)零放大電路。

至此，硬件電路設(shè)計(jì)的方案形成。總的硬件電路框圖如下：

三、Multisim軟件仿真

有了前面的硬件電路部分，接下來的任務(wù)就是采用Multisim電路進(jìn)行軟件仿真，在對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，合理地調(diào)整元器件的參數(shù)設(shè)置，對電橋電路、儀器放大電路、調(diào)零放大電路三個(gè)部分分別進(jìn)行仿真。在仿真中，筆者沒法設(shè)置非電參數(shù)的變化，只能四個(gè)電阻應(yīng)變片均設(shè)置為滑線變阻器，分析檢測電路最終輸出的電壓信號是否與電阻變化成對應(yīng)關(guān)系，以此來檢測電路的設(shè)置是否合理。

四、PCB制作

在仿真結(jié)果有效的基礎(chǔ)上，利用DXP2004軟件設(shè)計(jì)原理圖及PCB圖，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室制板的條件以及仿真的結(jié)果選擇合適的元器件封裝及型號，設(shè)計(jì)出大小合適的單面板。

五、元器件焊接及電路調(diào)試

在單面板上將元器件焊接好，并將實(shí)驗(yàn)室的電子秤傳感器模塊與制作的信號檢測模塊連接好，進(jìn)行測量并調(diào)試，最終結(jié)果符合預(yù)期。

六、結(jié)論

本文在分析電阻應(yīng)變傳感器的工作原理的基礎(chǔ)上，探討了應(yīng)變式傳感器檢測電路的設(shè)計(jì)方案，通過對電橋電路、儀器放大器電路、調(diào)零放大電路的分析選用，最終給出了電路的整體框架，接下來的工作就是對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行Multisim軟件仿真以及數(shù)據(jù)分析，通過參數(shù)調(diào)整，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和實(shí)用性。最后的步驟就是使用Protel DXP軟件制作印刷電路板，在電路板上進(jìn)行元件焊接以及功能調(diào)試。并將應(yīng)變式傳感器測量模塊示教板應(yīng)用到日常教學(xué)過程中。

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（作者單位：攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）