基于Multisim和LabVIEW的虚拟电子称

2013-10-29 14:02:19来源: 电子技术
    电阻应变片是广泛应用的传感元件之一,其量程宽、体积小、携带方便和准确度高,在电子衡器中被广泛应用,因此在传感器的教学中占有非常重要的位置,其实验也是传感器课程诸多实验中必做的内容,对学生深入理解和掌握相关理论知识、培养实践能力和综合素质具有不可忽视的作用。在该课程的实验教学中,传统的实验方法仅停留在验证性的基本原理阶段,与实际联系不多,传统的实验电路通常又采用模块化设计,实验方法和手段因实验设备的定型而很难改动,缺乏直观性,严重束缚了学生的创造力,对实践能力的提高作用有限。随着新的测试技术的发展,电路仿真软件和虚拟仪器软件的不断涌现,为解决上述问题提供了良好的平台。学生可以在电脑上采用Multisim软件设计应变片的测量电路,进而在LabVIEW虚拟仪器软件平台上,完成对实验数据的处理和标定,从而实现电子称功能,在一定程度代替了实验室的硬件传统仪器设备和元器件。

1 应变式称重传感器
   
应变式称重传感器主要由弹性体、电阻应变片和测量电路组成。其工作原理是:弹性体在外力作用下产生弹性形变,使粘贴在它表面的电阻应变片也随之产生形变,从而引起电阻应变片的阻值发生变化,通过相应的测量电路,把电阻变化转换为电信号输出,从而完成将重力转换为电信号的过程。
1.1 应变片的工作原理
   
电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应,即当金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值也相应地发生变化。实验证明,应变片的电阻相对变化量△R/R与轴向应变ε的关系在很大范围内是线性的。
     △R/R=k0ε      (1)
    式中:k0为应变片的灵敏度,在金属电阻丝拉伸比例极限内为常数。
1.2 应变式传感器的称重原理
   
用应变片测量受力应变时,将应变片粘贴在被测对象表面上,而根据引力应变的关系:
     σ=Eε      (2)
    这里所说的应力为单位面积所受外力,如果用作电子称,它与重物的质量满足如下关系:
     mg=σS     (3)
    式中:m为重物的质量;g为重力加速度;S为弹性体的截面积。
    根据以上各式可得到:
   
2 Multisim仿真
    Multisim是美国国家仪器(NI)公司推出的以Windows为基础的仿真工具。可提供4 000~17 000个电路元器件,除虚拟元件外基本采用实际参数模型,所实现的仿真具有较强的真实性。该仿真软件还提供了丰富的测试仪器和强大的电路分析手段,为正确验证电路功能和分析电路参数提供了有力保证。因此笔者尝试在Multisim平台上设计全桥电路将应变电阻变化转换为电路输出电压。
2.1 模型的建立
   
应变片材料选用康铜,取应变片的灵敏度系数k0=2;弹性体选用钢制双弯曲梁,其弹性模量为E=21 400kg/mm2;其截面积S=100mm2;四个应变片R1,R2,R3,R4,不受力时的电阻值均为200 Ω;重力加速度g=9.8 m/s2,将上述参数带入式(4),得到:
     △R=1.832×10-3m       (5)
    由于Multisim里面没有提供应变片的模型,用固定电阻R1,R2,R3,R4模拟的是不受压力时的应变片,采用压控源来模拟受力应变片的阻值变化,在电路连接上两者采用串联的方式,取系数为1.832 mΩ/V,V可以理解为物体的质量(kg),V1,V2,V3,V4指代的是同一电压V(模拟重物质量),根据差动电桥的原理,改变V的极性,即可构成全桥差动形式,仿真电路如图1所示。
2.2 放大电路设计
   
差动电桥输出的电压信号极其微弱,采用三运放高共模抑制比放大电路将电桥输出电压放大。它由两级放大器组成两个对称同相放大器构成第一级,由集成运放OP07,R6,R7和Rw2组成同相输入式并联差分放大器,具有非常高的输入阻抗。第二级由OP07,R8,R9,R10和R11组成反向比例放大器。为方便调节,再加一级比例放大电路,并在电路的输出级接万用表。放大电路如图2所示。

c.JPG

[1] [2]

关键字:传感器  Multisim  LabVIEW  电子称

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/1029/article_8053.html
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