最新学习子情境1电阻应变式力传感器单片机接口课件PPT课件 63页

'学习子情境1电阻应变式力传感器单片机接口课件 1.1.151单片机概述1.1.251架构1.1.38051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 8051的CPU-CentralProcessingUnit(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RAMROM：ReadOnlyMemory只读作用：存储程序或表格类型：EPROM/FLASH/OTP容量：0～64K(0～65536)单位-字节(byte)容量大小视单片机型号不同而不同地址：0000H～RAM：RandomAccessMemory可读可写作用：存放程序运行中产生的临时数据容量：128byte～容量大小视单片机型号不同而不同类型：DATA000～127IDATA128～255XDATA000～ 1.1.38051单片机引脚功能描述P1口P3口P0口P2口时钟端复位端控制信号接VCC（+5V）接地端 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)进一步提高运算速度8051：1MIPSC8051Fxx：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 Philips80C51系列单片机Philips8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FΔl、ΔA、ΔρΔR 电阻的灵敏系数对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力学可知，在弹性范围内，ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5；λ为压阻系数，与材质有关；σ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ρ随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6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、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+2μ是常数。其灵敏度系数多在1.7～3.6之间。 金属箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm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：（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0.1μm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、1000Ω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μ=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εx，电阻圆弧段：沿轴向压应度εy电阻K(箔式应变片)lεyεxεy 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自补偿法线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕温度补偿 ①电桥补偿法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R 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。 ②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βg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。 R1R2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±0.45μm/℃的高精度 ③热敏电阻补偿TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtU=Ui-URtK 1.1.7电阻应变片的测量电路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=R2R3R1/R2=R3/R4R1+⊿R1R2R4R3UILRL 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ΔR 采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时式(2.1.24)可写为当ΔRi<