基于Multisim和LabVIEW的虛擬電子稱
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1 應(yīng)變式稱重傳感器
應(yīng)變式稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片和測量電路組成。其工作原理是：彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生形變，從而引起電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，通過相應(yīng)的測量電路，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而完成將重力轉(zhuǎn)換為電信號的過程。
1．1 應(yīng)變片的工作原理
電阻應(yīng)變片的工作原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)變片的電阻相對變化量△R／R與軸向應(yīng)變ε的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的。
△R／R=k0ε (1)
式中：k0為應(yīng)變片的靈敏度，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)為常數(shù)。
1．2 應(yīng)變式傳感器的稱重原理
用應(yīng)變片測量受力應(yīng)變時，將應(yīng)變片粘貼在被測對象表面上，而根據(jù)引力應(yīng)變的關(guān)系：
σ=Eε (2)
這里所說的應(yīng)力為單位面積所受外力，如果用作電子稱，它與重物的質(zhì)量滿足如下關(guān)系：
mg=σS (3)
式中：m為重物的質(zhì)量；g為重力加速度；S為彈性體的截面積。
根據(jù)以上各式可得到：
2 Multisim仿真
Multisim是美國國家儀器(NI)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具?？商峁? 000～17 000個電路元器件，除虛擬元件外基本采用實(shí)際參數(shù)模型，所實(shí)現(xiàn)的仿真具有較強(qiáng)的真實(shí)性。該仿真軟件還提供了豐富的測試儀器和強(qiáng)大的電路分析手段，為正確驗(yàn)證電路功能和分析電路參數(shù)提供了有力保證。因此筆者嘗試在Multisim平臺上設(shè)計全橋電路將應(yīng)變電阻變化轉(zhuǎn)換為電路輸出電壓。
2．1 模型的建立
應(yīng)變片材料選用康銅，取應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)k0=2；彈性體選用鋼制雙彎曲梁，其彈性模量為E=21 400kg／mm2；其截面積S=100mm2；四個應(yīng)變片R1，R2，R3，R4，不受力時的電阻值均為200 Ω；重力加速度g=9．8 m／s2，將上述參數(shù)帶入式(4)，得到：
△R=1．832×10-3m (5)
由于Multisim里面沒有提供應(yīng)變片的模型，用固定電阻R1，R2，R3，R4模擬的是不受壓力時的應(yīng)變片，采用壓控源來模擬受力應(yīng)變片的阻值變化，在電路連接上兩者采用串聯(lián)的方式，取系數(shù)為1．832 mΩ／V，V可以理解為物體的質(zhì)量(kg)，V1，V2，V3，V4指代的是同一電壓V(模擬重物質(zhì)量)，根據(jù)差動電橋的原理，改變V的極性，即可構(gòu)成全橋差動形式，仿真電路如圖1所示。
2．2 放大電路設(shè)計
差動電橋輸出的電壓信號極其微弱，采用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路將電橋輸出電壓放大。它由兩級放大器組成兩個對稱同相放大器構(gòu)成第一級，由集成運(yùn)放OP07，R6，R7和Rw2組成同相輸入式并聯(lián)差分放大器，具有非常高的輸入阻抗。第二級由OP07，R8，R9，R10和R11組成反向比例放大器。為方便調(diào)節(jié)，再加一級比例放大電路，并在電路的輸出級接萬用表。放大電路如圖2所示。
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