智能化应变式称重传感器设计

摘要

衡器是计量物体质量的装备，是应用范围最广、品种数量最多的法制计量器具。衡器的核心部件是称重传感器，其性能对衡器的整体指标起决定性作用。智能化称重传感器解决了模拟称重传感器受环境影响大及精度不高等缺点，能够对非线性、温度及蠕变等制约精度的因素进行补偿，并采用标准的总线接口以数字形式输出结果。
　　随着经济的发展，中国衡器及称重传感器行业产值逐年增加，但从技术水平分布来看，主要集中在技术水平相对落后、利润少的产品。因此设计一种新型实用的智能化应变式称重传感器器不管是在技术积累还是市场竞争中都具有重要的意义。
　　本文首先对智能化称重传感器的核心传感元件电阻应变片的称重原理进行详细剖析，并指出电子系统的噪声对称重传感器精度的影响及常用的解决方法，然后以本文所设计的样机为例，阐述智能化应变式称重传感器的硬件设计和软件设计。硬件设计中详细讲述由应变片供电电路、低噪声放大电路、高精度A/D转换电路构成的高精度称重数据采集电路和智能化称重传感器不可或缺的MCU管理和运算单元以及通信接口等模块的设计。以MDK提供的RTOS框架RL-RTX为基础对各软件模块进行构建，包括称重和温度等数据的采集和预处理、通信协议的设计及实现等。
　　随后，本文分析智能化应变式称重传感器中的非线性误差产生原因及计算方法，并给出以最小二乘拟合对非线性误差进行补偿的方法。同时分析智能化称重传感器中蠕变误差及温度的影响，并详细蠕变补偿的方法。
　　本文设计的智能化应变式称重传感器样机采用RS-485接口，具有非线性和蠕变补偿功能，整体精度高，根据《JJG669-2003称重传感器检定规程》对各项指标进行试验的结果，其分度数达到60000，满足B级称重传感器指标。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

第2章 电阻应变片原理及调理技术研究

2.1 电阻应变片的工作原理

2.1.1 电阻应变片称重原理

2.1.2 应变电桥及其供电方式

2.1.3 应变电桥的比例称重技术

2.2 电阻应变片信号调理中的电子噪声

2.2.1 电子器件固有噪声

2.2.2 运算放大器的噪声模型

2.3 低噪声电路调理技术

2.3.1 斩波放大技术

2.3.2 △-∑型A/D转换技术

第3章 智能化应变式称重传感器硬件设计

3.1 智能化应变称重传感器的硬件结构

3.2 高精度称重信号采集电路设计

3.2.1 应变片的选型

3.2.2 应变片供电电路设计

3.2.3 低噪声放大电路设计

3.2.4 高精度A/D转换电路设计

3.3 MCU管理单元及通信接口电路设计

3.3.1 STM32F103处理器介绍

3.3.2 温度采集电路

3.3.3 信息存储电路设计

3.3.4 通信接口电路

3.4 硬件抗干扰设计

3.4.1 静电及脉冲干扰抑制

3.4.2 电源去耦设计

3.4.3 RS-485抗共模干扰设计

第4章 智能化应变式称重传感器软件设计

4.1 STM32开发环境简介

4.1.1 MDK平台简介

4.1.2 采用RTOS的优点

4.1.3 RL-RTX的特点

4.2 数据采集部分软件设计

4.2.1 A/D转换程序

4.2.2 温度采集程序

4.3 称重数据预处理

4.3.1 算术平均滤波算法

4.3.2 传感器标定

4.4 通信协议设计

4.4.1 Modbus协议简介

4.4.2 智能化称重传感器通信协议实现

4.5 上位机测试管理软件设计

第5章 智能化应变式称重传感器的误差补偿

5.1 传感器的非线性误差及补偿

5.1.1 电阻应变片的非线性误差

5.1.2 桥路输出的非线性误差

5.1.3 非线性误差补偿

5.1.4 非线性补偿结果

5.2 传感器的蠕变误差与补偿

5.2.1 电阻应变片的蠕变误差

5.2.2 蠕变误差的补偿

第6章 智能化应变式称重传感器的试验结果

6.1 智能化称重传感器的技术指标

6.2 智能化称重传感器的检定试验方法

6.2.1 检定试验条件

6.2.2 检定试验程序

6.3 智能化称重传感器试验结果

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的论文

附录B 智能化应变式称重传感器实物图