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1、学习子情境1 电阻应变式力传感器 单片机接口,学习情境一 变量式传感器与单片机接口,1.1.1 51单片机概述 1.1.2 51架构 1.1.3 8051引脚功能表述 1.1.4 常见51系列单片机 1.1.5 金属应变片工作原理 1.1.6 金属应变片的主要特性 1.1.7 测量电路 1.1.8 应变式传感器应用,1.1.1 51单片机概述,51单片机的起源 1980年Intel推出首款8位单片机-8051 Intel在80-82年陆续推出和8051指令系统完全相同，内部结构基本相同的8031、8052和8032等型号单片机，初步形成MCS-51系列，被奉为“工业控制单片机标准” 84年in
2、tel出售了8051的核心技术 PHILIPS ATMEL ADI CYGNAL 发展至今形成一个有近千种型号的庞大的51单片机家族。,51系列单片机的鼻祖8051 1980年诞生于美国intel公司 8bit数据宽度 最高运算速度1MPS 可以进行乘法运算 片内4KbyteROM，128byteRAM 64K寻址 5级中断管理、2个16bit定时器 UART串口、48bit并口,51系列单片机的遗传基因 兼容的指令系统 相同的指令 相同的语法 相同的基本结构51架构 引脚兼容,1.1.2 51架构(51 Architecture),8051内部ROM ROM：Read Only Memory
3、(只读存储器) 一般用于存放程序和表格等不常改变的数据常见的OM种类： 掩膜ROM (Masked ROM) EPROM (Electrically Programmable ROM) EEPROM (E2PROM) Flash ROM OTP ROM (One Time Programmable ROM) 8051单片机的ROM是掩摸ROM： 容 量：4096byte(212) 地址范围：0000H1FFFH,8051内部RAM RAM：Random Access Memory(随机存储器) 一般用于存放程序执行过程中产生的大量的临时数据，相当于PC的内存。 8051单片机的内部RAM： 容
4、 量： 128字节 地址范围： 00H7FH,8051的CPU-Central Processing Unit(中央处理单元) 作用： 控制 协调片内各部分的工作时序逻辑 控制和片外联络的时序逻辑 运算 加法运算 减法运算 乘法运算 除法运算 布尔逻辑运算(与、或、非、异或、移位等),51架构与51单片机的内部存储器,内部ROM 内部RAM,1.1.3 8051单片机引脚功能描述,1.1.4 常见51系列单片机,51单片机的改进方向 制造工艺更新为CHMOS工艺(型号中含C) 特点：低功耗、高速、电平兼容TTL和CMOS 比如：89C51、80C51 采用Pipeline(流水线)进一步提高运
5、算速度 8051：1MIPS C8051Fxx：25MIPS 片内植入A/D、D/A、PCA等功能模块 片内存储器扩展和改型FlashROM、OTPROM 引入更多的通信方式如SPI、SCI、I2C等 采用更小的封装和功耗,Philips 80C51系列单片机 Philips 8位8051单片机系列提供完整的产品类型，包括Flash、OTP(一次性编程)、ROM和无ROM器件。由于为实时应用而设计，这些80C51器件可以广泛应用于从消费类产品、计算机外设到自动化系统的各种领域。,1.1.5 工作原理,1.金属的电阻应变效应,电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化,
6、F l、A 、 R,电阻的灵敏系数,对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5； 为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,金属电阻的灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的 材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,2. 应变片的基本结构与种类,敏感栅 直径为.025mm左右的合金电阻丝 结构 丝绕式 基底 绝缘 覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、
7、压力,弹性敏 感元件,应变,外力作用 被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化,应变片,应变片的类型和材料,金属丝式 金属箔式 金属薄膜式,回线式 短接式,金属丝式应变片,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略,应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料， K0=1+2是常数。其灵敏度系数多在1.73.6之间。,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,箔式应变片,优点 ：
8、,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点： 电阻值的分散性大 阻值调整,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,1.1.6 金属应变片的主要特性,（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度
9、误差及其补偿,应变片的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变片承受电压， 电阻值大 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大,（一）灵敏系数,“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的 产品来测定，取平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0,粘结层传递变形失真 还存在有横向效应,原因：,（二）横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变x，电阻 圆弧段：沿轴向压应度y 电阻,K (箔式应变片),l,
10、y,x,横向效应,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,（三）温度误差及其补偿,1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为 2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化,温度误差,相应的虚假应变输出,可得由于温度变化而引起的总电阻变化为,温度补偿,单丝自补偿法 自补偿法 组合式
11、自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿, 电桥补偿法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,R1 +R,Rb -R,U0,R1R,R4,R3,U,RbR,电桥补偿法,优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好， 缺点： 在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。, 应变片的自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片,a.选择式自补
12、偿应变片,优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立 (2.1.21) 即可达到温度自补偿的目的。,组合自补偿法,b. 双金属敏感栅自补偿应变片,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系数 调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的 电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制 应变片的温度自补偿， 可达0.45m/的高精度,热敏电阻补偿,T K,Rt,URt,U = Ui - URt,K,1.1.7 电阻应变片的测量
13、电路,1 直流电桥 2 非线性误差及其补偿,1. 直流电桥,直流电桥的工作原理,IL=0时电桥平衡 平衡条件 :,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,2不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度,当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化R,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式(2.1.24)可写为,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,上式表明：, Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电
14、压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,略去分母中的R1/R1项 ,假设R1/R11,单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系,实际输出电压,电桥的相对非线性误差为,2.非线性误差及其补偿,减小非线性误差 采用的措施为：,（1）采用半桥差动电桥,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用,输出电压为：
15、,全桥差动电路,1.1.8 电阻应变式传感器的应用,1 应变式力传感器 2 应变式压力传感器 3. 应变式液体重量（或液位）传感器 4 应变式加速度传感器,柱式力传感器,1 应变式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,(2)梁式力传感器,等截面梁,结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷, 等截面悬臂梁, 等强度悬臂梁, 双端固定梁,薄壁圆环式力传感器,在外力作用下，各点的应力差别较大,BK-2S称重传感器,产品详细介绍 采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥
16、电压 12VDC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度 -10+50,BK4轮辐式传感器系列,2. 应变式压力传感器,t,r,r,t,膜片式压力传感器,筒式压力传感器 测较大压力,机床液压系统的压力（106107Pa）， 枪炮的膛内压力（108Pa）， 动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定,组合式压力传感器,应变片不直接粘贴在压力感受元件上 压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等,通常用于测量小压力。 其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。,AK-1型应变式脉动压力传感器,产品特点： 采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量,3. 容器内液体重量（液位）传感器,液位传感器,式中 A1 、A2传感器的传输系数； g 重力加速度(m/s2)； 被测溶液的密度(Kg/m3)。,溶液重量,式中 Q容器内感压膜上面溶液的重量(N) ； D柱形容器的截面积(m2)。,4. 应变式加速度传感器,在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用, 但不适用于频率较高的振动和冲击。,应变式加速度传感器结构示意图 1等强度梁 2质量块 3壳体 4电阻应变片,