教具制作之應變式傳感器測量模塊設計

羅毅

摘 要：電阻式傳感器是生產、生活、以及日常教學中應用最為廣泛的傳感器之一，受教材中例題、習題的啟發，利用現有的廢舊傳感器，將傳感器信號檢測電路制成示教板，并將該教具用于日常的教學實踐過程中。

關鍵詞：教具制作；應變式；測量模塊；設計

我校目前有多個專業（測控技術與儀器、電子信息工程、機械設計制造及其自動化、車輛工程等）開設傳感器系列（如傳感器與現代檢測技術、感測技術、機械工程測試技術等）課程，教具的研究及制作在我校應用前景廣闊，受益的學生眾多。受教材中例題、習題的啟發，筆者利用生活中的常用的傳感器元件、新課程介紹的傳感器種類，以貼近生活的方式，研究傳感器教具，并制成示教板。示范教學，深化書本知識，強化工程應用。設計和制作直觀具體、形象生動的教具，能很好地詮釋教學的重、難點，從而實現從感性到理性，從具體到抽象，從簡單到復雜的教學目標。

在我們學校實驗室中，針對開設課程所購置的實驗設備有許多已經老化，致使學生在實驗課程中無法獲得較為準確的數據結果。本文在實驗室現有傳感器的基礎上分析傳感器的工作原理、基本結構、相關特性，探討并設計了應變式傳感器的信號檢測電路，檢測電路涵蓋了電橋測量以及調零電路、儀器放大器、差放調零電路三大模塊，在電路仿真的基礎上設計印刷電路板，制作硬件電路最終通過調試。該教具的制作，在利廢、利舊、因陋就簡、材料低廉的基礎上，改變了傳統的教學手段、工具較為單一的現象，有效地降低教學難度、加深實物印象、提高課堂效率、拓展學生思維，它將教師的教育觀念和教學經驗表達的更加地直觀，它將書本上的知識升華為看得見、摸得著的東西。

一、 應變式傳感器工作原理

電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內部變形轉換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形，然后由電阻應變片將彈性元件的變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建筑測量等行業應用十分廣泛。

所謂電阻應變效應是指具有規則外形的金屬導體或半導體材料在外力作用下產生應變而其電阻值也會產生相應地改變，這一物理現象稱為“電阻應變效應”。

二、信號檢測電路設計

應變式傳感器以應變效應為基礎的，其電阻隨應變的變化非常微弱，為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉換成電壓或電流信號，在應用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現溫度補償等優點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。

電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作。

為了調節電橋的初始平衡狀態，在電橋電路上加了調零用的滑線變阻器。

由電橋電路輸出的信號比較微弱，本文作者選用了儀器放大電路進行信號放大。電路中三個運放按比例運算電路的形式連接，可分為兩級差分放大器電路。A1、A2按同向差分輸入方式連接組成第一級，同向輸入大幅度提高了輸入電阻，減小了電路對微弱信號的衰減。A1、A2對稱結構互相抵消飄移和失調。差分輸入只放大差模信號，對共模信號只起跟隨作用，使得送到后級的共模抑制比（CMRR）得到提高；A3構成的第二級將差分輸入轉換成為單端輸出。此電路比簡單的差分放大電路具備更好的共模抑制能力。

它的主要特點是高增益、高共模抑制比、高輸入電阻、低線性誤差和低失調飄移增益等。

為了調節運算放大器的零點漂移（主要是調節溫度帶來的誤差影響），儀器放大器后面再增加一個調零放大電路。

至此，硬件電路設計的方案形成。總的硬件電路框圖如下：

三、Multisim軟件仿真

有了前面的硬件電路部分，接下來的任務就是采用Multisim電路進行軟件仿真，在對仿真數據進行分析的基礎上，合理地調整元器件的參數設置，對電橋電路、儀器放大電路、調零放大電路三個部分分別進行仿真。在仿真中，筆者沒法設置非電參數的變化，只能四個電阻應變片均設置為滑線變阻器，分析檢測電路最終輸出的電壓信號是否與電阻變化成對應關系，以此來檢測電路的設置是否合理。

四、PCB制作

在仿真結果有效的基礎上，利用DXP2004軟件設計原理圖及PCB圖，根據實驗室制板的條件以及仿真的結果選擇合適的元器件封裝及型號，設計出大小合適的單面板。

五、元器件焊接及電路調試

在單面板上將元器件焊接好，并將實驗室的電子秤傳感器模塊與制作的信號檢測模塊連接好，進行測量并調試，最終結果符合預期。

六、結論

本文在分析電阻應變傳感器的工作原理的基礎上，探討了應變式傳感器檢測電路的設計方案，通過對電橋電路、儀器放大器電路、調零放大電路的分析選用，最終給出了電路的整體框架，接下來的工作就是對設計的電路進行Multisim軟件仿真以及數據分析，通過參數調整，驗證設計方案的可行性和實用性。最后的步驟就是使用Protel DXP軟件制作印刷電路板，在電路板上進行元件焊接以及功能調試。并將應變式傳感器測量模塊示教板應用到日常教學過程中。

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（作者單位：攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）