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传感器与自动检测技术课程设计

时间： / 学年 学期
专业： 电气工程及其自动化
班级：
姓名：
学号：

红河学院 工学院自动化系

目 录
第一章、设计方案简介 …………………………………………………………01
设计内容…………………………………………………………………………01
设计要求………………………………………………………………………01
称重系统方框图…………………………………………………………………01
第二章、汽车电子称设计………………………………………………………02
称重系统的结构组成……………………………………………………………02
称体设计…………………………………………………………………………02
称重系统主要技术参数………………………………………………………… 03
元器件选择………………………………………………………………………04
电子称的具体设计………………………………………………………………08
电子称的安装…………………………………………………………………09
第三章、电子称的调试检定……………………………………………………11
电子称的调试…………………………………………………………………… 11
电子秤检定…………………………………………………………………… 11
第四章、电子称的操作与维护 ………………………………………………12
电子称的操作…………………………………………………………………… 12
维护保养……………………………………………………………………… 13
故障分析……………………………………………………………………… 13
第五章、设计评述 ………………………………………………………………14
心得体会……………………………………………………………………… 14
参考文献…………………………………………………………………… 14

第一章 设计方案简介
汽车衡也被称为地磅，是厂矿、商家等用于大宗货物计量的主要称重设备。在二十世纪80 年代之前常见的汽车衡一般是利用杠杆原理纯机械构造的机械式汽车衡，也称作机械地磅。二十世纪80 年代中期，随着高精度称重传感器技术的日趋成熟，机械式地磅逐渐被精度高、稳定性好、操作方便的电子汽车衡所取代。汽车衡标准配置主要由承重传力机构(秤体)、高精度称重传感器、称重显示仪表三大主件组成，由此即可完成汽车衡基本的称重功能，也可根据不同用户的要求，选配打印机、大屏幕显示器、电脑管理系统以完成更高层次的数据管理及传输的需要。高精度称重传感器是汽车衡的核心部件，起着将重量值转换成对应的可测电信号的作用，它的优劣性直接关系到整台衡器的品质。
一、设计内容
1、设计一个100吨汽车电子称；
2、称体设计；
3、传感器选择；
4、掌握电子称的设计、组装与调试方法；
5、采用电阻应变式传感器；
二、设计要求
1、测量范围：100吨左右；
2、输出信号的处理；
三、称重系统方框图

第二章 汽车电子称的设计
一、 称重系统的结构组成
汽车电子称主要由称台、称重传感器、连接件、限位装置、称重显示器及接线盒等零部件组成，还可以选配打印机、大屏幕显示器、计算机和稳压电源等外部设备。
二、 称体的设计
1、称体设计图如下所示：

2、称重系统组成序号说明列表如下：
序号
名称
数量
说明

序号
名称
数量
说明
1
称台
2

6
计算机
1
选配件
2
限位装置
2

7
显示仪表
1

3
传感器
6

8
大屏幕
1
选配件
4
接线盒
2

9
打印机
1
选配件
5
连接键
6

10
稳压电源
1
选配件

三、称重系统主要技术参数
1、汽车衡主要技术参数
（1）最大称重：100T
（2）（）（（台面尺寸：3.4×18m
（3） 准确度等级：Ⅲ级
3 W6 Q6 P- H- z" T" |, k3 n- j0-500e      ±0.5e   （0-20T     ±20kg）
$ u( w" ~3 A' @$ D500-2000e   ±1e     （20-80T    ±40kg）
; P* D- r. T! p＞2000e     ±1.5e   （＞80T     ±60kg）
（4）（）（）最大分度数：n=3000& r& y# _, y6 |- U9 D$ x, y  o0 D
（5） 检定分度值：e=40kg
+ w& R" D/ M- E（）（（6）显示分度值：d=20kgE) y0 J0 t& L) P' X
（7）工作环境：温度-10~45℃，相对湿度不大于95%RH
（8）电源：220VAC(-7%~+7%) 50Hzv# {2 w1 c5 K
（9） 具有置零、自动零点跟踪、断电数据保护、故障自诊断等功能
2、 传感器主要技术指标
（1） 最大量程：20T
（2）（）（）灵敏度：2mV/V
（3） 综合误差：±0.03% J: u. W+ W5 C+ k# r8 E2 n
（4） 安全过载：150%
（5） 输入阻抗：375±1Ω
（6）（）输出阻抗：370±1Ω
（7）绝缘电阻：≥5MΩ
（8） 安全侧载：100%
（9）极限超载：400%
（10）传感器：6个
四、元器件选择
1、称重传感器的选择
称重传感器采用电阻应变片称重传感器。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。
称重传感器在选用时要考虑到很多因素，实际的使用当中我们主要从下列几个因素考虑。另外，称重传感器的灵敏度、最大分度数、最小检定分度值等也是传感器选用中必须考虑的指标。
（1）传感器的数量和量程
传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数(支撑点数应根据秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定)而定。一般来说秤体有几个支撑点就选用几只传感器。
传感器的量程选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体自重、可产生的最大偏载及动载因素综合评价来决定。一般来讲，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但是在实际的使用当中，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。下面给出一个经过大量实验验证的经验公式。
　　公式如下：
　　C=K0×K1×K2×K3(Wmax+W)/N
　　式中 C一单个传感器的额定量程
　　W一秤体自重
　　Wmax一被称物体净重的最大值
　　N一秤体所采用支撑点的数量
　　K0一保险系数，一般取1.2～1.3之间
　　K1一冲击系数
　　K2一秤体的重心偏移系数
　　K3一风压系数
因此此实验应选量程为100t的。
（2）传感器的准确度等级选择　
称重传感器的准确度等级包括传感器的非线性、蠕变、重复性、滞后、灵敏度等技术指标。在选用的时候不应该盲目追求高等级的传感器，应该考虑电子衡的准确度等级和成本。一般情况下，选用传感器的总精度为非线性、不重复性和滞后三项指标的之和的均方根值略高于秤的精度。
（3）各种类型传感器的应用范围及用途　
称重传感器形式的选择主要取决于称重的类型和安装空间，保证安装合适，称重安全可靠；另一方面要考虑厂家的建议。对于传感器制造厂家来讲，它一般规定了传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构形式、弹性体的材质等。譬如铝合金悬臂梁传感器适合于电子计价秤、平台秤、案秤等；钢式悬臂梁传感器适用于电子皮带秤、分选秤等；钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡等；柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。称重传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域。如电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。
（4）使用环境
称重传感器实际上是一种将质量信号转换成可测量的电信号输出装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对于正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。一般情况下，高温环境对传感器造成涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题；粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响；在腐蚀性较高的环境下会造成传感器弹性体受损或产生短路现象；电磁场对传感器输出会产生干扰。相应的环境因素下我们必须选择对应的称重传感器才能满足必要的称重要求。
对传感器等级的选择必须满足下列两个条件：
(1)满足仪表输进的要求。称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大、A／D转换等处理之后显示称量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或即是仪表要求的输进情号大小，即将传感器的输出灵敏度代人传感器和仪表的匹配公式，计算结果必须大于或即是仪表要求的输进灵敏度。
(2)满足整台电子秤正确度的要求。一台电子秤主要是由秤体、传感器、仪表三部分组成，在对传感器正确度选择的时候，应使传感器的正确度略高于理论计算值，由于理论往往受到客观条件的限制，如秤体的强度差一点，仪表的性能不是很好、秤的工作环境比较恶劣等因素都直接影响到秤的正确度要求，因此要从各方面进步要求，又要考虑经济效益，确保达到目的。
本设计选用TU张力和压缩称重传感器， 外形结构如下：
主要特征：
　　􀁺 测量范围为从 50 到 1000Kg
　　􀁺 精度等级：0.2%
　　􀁺 全部不锈钢结构
　　􀁺 抗腐蚀
　　􀁺 保护等级：IP67（DIN40050）

2、称重显示仪表的选择
称重仪表的内部结构包括：放大电路、A/D 转换、单片机以及和单片机相连的控制面板、显示部分、打印部分和串型通讯部分。现讨论的是其模拟信号及量化部分，即输入信号和其中的放大电路、A/D 部分的关系。
（1）集成运算放大器
称重仪表采用的放大器均为高精度集成运放（如OP177、OP277、MAX422 等），具有高分贝、低失调、低温漂、高共模抑制比等特点。称重传感器输出的差模信号正极与运放的同相输入端相连UP，负极和运放的反相输入端相连UN，运放的同相与反相输入电阻均为Ri，反馈电阻Rf，则减法运算后输出电压Uo=（Rf /Ri）×（UP- UN），增益Av=Rf /Ri。调整反馈电阻使Uo和A/D转换器的模拟信号电压等级相匹配。由于仪表中运放采用几乎固定的增益和A/D模拟输入信号范围，根据上式得出仪表的最大输入信号范围Ui为：
Ui=UP- UN=（A/D 模拟信号范围）/（运放增益）
（2）模拟- 数字转换器
称重仪表中多采用16 位Σ- ΔA/D 芯片，理论上能把采集来的模拟信号（上面论述的Uo）作216（65536）等份。以基准电压对照，每一份模拟信号（Δ=1/65536）对应一个数字量，这样就实现了模数转换的功能。在无其他因素限制时，可以把A/D的输出信号看成仪表内码的变换范围。把运放和A/D放在一起考虑，不难得出以下结论：仪表的A/D可以看成是等分其额定输入信号范围的。实际使用中的输入信号往往很难接近其额定输入信号，甚至有的达不到仪表输入信号范围的一半，这样不利于整个产品的准确度，也浪费了仪表的资源。当然，有用信号被等分得越多越好，这样可以提高产品的准确度和可调性。
因此选用XK3190—DM1仪表外形如下：

仪表基本功能：（1）高精度A/D转换，可读性达1/50000；2)调用内码显示方便，替代感量砝码观察及分析允差；3)零位跟踪范围、置零（开机/手动）范围可分别设置；4)分度值自动切换：可通过参数设置选择双分度称量；5)非线性修正及动态速度补偿功能；6)快速填充式过磅单打印功能设置；7)称重记录贮存/检查/删除/断电保护；8)(M1P)内置高速汉字微打；9)采用光电隔离等多种抗干扰防护措施，使仪表具有更强的抗干扰性；
五、电子称具体设计
1、传感器接线图
电子秤传感器的测量电路通常使用电桥测量电路，它将应变阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是可用的输出信号，电桥电路有四个电阻组成，如下图所示：

电子秤的传感器在不加负荷时，桥路的电阻应平衡，也就是电桥初始平衡状态输出应为零。但实际上桥路各臂阻值不可能绝对相同，接触电阻及导线电阻也有差异，致使输出不为零。因此必须设置调零电路使初始状态达到平衡，即输出为零。
2、具体电路设计

3、电路工作原理
当被测物体放在放在秤台上时，其重量便通过车称体传递到称重传感器，传感器随之产生应变效应，将物体的重量转换成与被测物体重量成一定函数关系的电信号。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数转换器进行转换，数字信号再送到微处理器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪器表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存储器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮中读出送到显示器显示，或送到打印机打印。一般信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。
六、电子称的安装
1、秤体安装条件
(1)起重机吨位按单元秤台最大重量以及工作现场情况决定，建议按单元秤台重量的1.5～2倍选择起重机型号。
(2)千斤顶、水准仪、钢卷尺及钳工常用工具。
(3)M1级大砝码
2、秤体安装顺序如下：
(1)开箱：尽量在安装现场用工具开箱，开箱时要注意不损坏箱内的部件。
(2)清点：按装箱单清点零部件，开箱后不立即安装时应将所有零部件汇集在一起保管，防止丢失。
(3)检查基础尺寸是否符合基础图规定的尺寸。
(4)按图纸测绘出基础中心线及有关位置线。
(5)按总装图安装底座。
(6)用尺检查各传感器的安装位置，保证对角线允差不大于3mm，长度和宽度允差不大于2mm。
(7)把垫片垫入底座下面，并调整高度和水平。
a.各底座上平面的高度差不大于1mm。
b.底座上平面的水平误差不大于1/100。
(8)吊装承载器。
(9)承载器位置调整好后，拧紧连接处的螺母。
(10) 按配线图接线。
(11) 调整纵向和横向限位螺栓，使螺栓头部与档板间隙不大于4至5mm。
(12) 底座的四周用水泥混凝固定，充实底板下面的空间。
3、注意事项
检定合格后也要定期检查秤量的准确性。称重显示器预热一般为3O分钟，下班停机必须切断电源，不允许在称重显示器通电状态下拔插电缆插头，司磅员必须熟读操作说明。车辆驶上秤台车速低于5km/h，然后缓慢刹车，车停稳后开始计量。车辆驶上秤台应直线行驶尽可能停留在秤台的中心。
秤台四周间隙不得有异物存在，经常检查阅隙是否符合要求，传感器紧固螺栓是否松动。秤台应经常清扫，表面油漆定期重新刷涂。禁止在秤台上进行电弧焊作业，称重仪表及传感器应根据环境条件定期检查，以免受潮或不良气体侵蚀，影响可靠性。称重仪表避免靠近热源、振动源，使用环境不允许有易燃、易爆气体或粉尘，在称重仪表的同相线上不得按感性负载(如电铃)，如发现称重仪表发生故障应该迅速断电，然后通知专业部门及专业技术人员检修，未经允许不得随意拆开机箱，更不可随意更换零件。

第三章 电子称的调试与检定
一、 电子称的调试
1、用数字电压表依次测量电子地磅各个称重传感器的输出电压，如存在不一致，可分别调整接线盒中相应两只精密可调电阻，以减少相互间差异量。但调整量必须注意，两只可调电阻的旋转方向要一样，旋转量也要一样，顺时针转动时其电阻减小，输出电压变大，显示值增加，否则反之。直至调整到电子地磅各只称重传感器输出一致。调试一般可用重量法进行，即将1/10最大秤量的砝码，依次放至电子地磅承重台中心位置及各只称重传感器上方的承重台上，并用实差法准确测出各只称重传感器输出的差异量，同时分别调整电子地磅各个承重点称重传感器相应的两只精密可调电阻，减少相互间的差异量，但旋转方向和旋转量也一样。
2、参考电子地磅称重显示器使用说明书(专业技术手册)，检查各种功能键的正确性，提高电子地磅的称量准确度。
3、电子地磅承重点调试好后，将相当于最大秤量的砝码均匀地加到电子地磅承重台上，按照各种称重显示器的说明书所介绍的位置和方法，使显示值与砝码值一致后，取下砝码，并确认空秤显示为“0”即可。最后，将最大秤量分为若干份，其中须包括该秤的最小秤量、最大秤量及允差改变的各个称量点，要求电子地磅各点的称量误差不大于各量点的最大允差要求。
二、电子称的检定
1、检查项目
（1）、传感器及延伸电缆完整无损，接头无氧化锈蚀。
（2）、中心接线盒完整无损，无变形和密封不良现象。
（3）、信号电缆屏蔽层接地良好，信号线间对地绝缘电阻须大于5MΩ。
（4）、称重显示仪外观完好，接线正确，无松动。
（5）、汽车衡称重台面无变形。
2、调试前准备工作
（1）、调试用砝码、起吊设备和叉车到现场。
（2）、熟悉称重显示仪操作说明。0
（3）、给系统通电，仪表预热15min。
3、调试顺序
（1）、偏载调整（角差调整）：仪表进入称重状态后即可进行偏载调整。用一定重量的砝码（一般用五分之一最大称量），顺序压角，使各角的显示值误差不超过允许误差，如超差可以通过修改角系数进行调节，直至八角显示一致。也可通过自动调整角系数完成八角系数的调整。Y3 u. y7 F, n
（2）、零基准调整：8 z4 N7 x6 ?, [汽车衡现场首次安装或检修后，必须重新确定零基准。在空秤台时按“置零”键，或者进入菜单执行零点标定即可。
（3）、量程调整：在采用量程调整功能前，必须先进行标准校正的设定，虽然测试砝码的最小值不必大于满量程10%，但在实际中用的砝码，应尽: c9 J0 S/ N  S+ t" d0 l! I  b可能多；进入执行零点标定；在秤台加载已知道的硅码，执行量程标定。
第四章 电子称的操作与维护
一、使用说明 　　
1、衡器安装后，必须经当地计量部门或国家授权的计量部门检定合格后，方可投入使用。 　　
2、使用前，首先应检查秤体是否灵活，各配套部件的性能是否良好。 　　
3、仪表开机后，待零点稳定后方可使用。 　　
4、车辆驶入秤台时（或放置重物尽量轻拿轻放）车速应小于5km/h，然后缓缓刹车，车停稳后计量。 　　
5、尽可能停留在秤台的中心位置。 　　
6、仪表读数必须在“稳定”指示灯点亮时读取正确的重量的数值。 　　
二、维护保养 　　
l、为保证系统计量准确，免受风雨侵蚀，有利于操作作用，要求设置工棚和计量秤房。 　　
2、秤台和引坡的交界处应有10-15mm间隙，不得发生碰撞和摩擦。 　　
3、 被计量的载货车重不应超过系统的额定称量值。 　　
4、 为保证衡器的正常计量，应定期对其进行检定。 　　
5、 秤台下部不得卡有异物。 　　
6、司秤操作人员必须通过培训才能进行操作，修理人员在未掌握必要的知识前，不得随意拆卸任何部件，以免影响计量精度或使系统损坏。 　　
7、仪表的使用操作者，必须对仪表的说明书进行详细消化吸收，掌握基本原理，熟悉仪表维护方法之后才能正式操作使用。 　　
8、系统加电前必须检查电源和接地装置是否可靠，下班停机必须拔下仪表电源插头，切断电源。
三、故障分析
1.不归零（不回零，不称重）：（1）检查传感器输出信号值是否于标准内。（A/D 的总放大码/使用内码范围/底码范围）；（2）未在标准内，请参考第十项目作补偿； （3）如无法补偿请检查传感器是否不良。(请依照第八项作检测) D)请依照说明书指示，做重量校正。
2.称重量不准：（1）观测内码值是否稳定，传感器各部位是否有摩擦现象，稳压电源是否稳定，运放电路是否 正常，A/D 电路的线路版是否有异物，反馈电阻/电容/滤波电容是否不良或漏电； （2）检查传感器输出信号值是否于标准内。 （3）未在标准内，请参考第十项目作补偿。
3.显示不良：（1）将正常 LCD 接脚用手并联在维修秤 LCD 上， 再开机观察正常的 LCD 上是否也有相同不良情 况，如没有的话就可断定为 LCD 不良； （2）检查 CPU 接脚有无氧化、冷焊或短路现象；（3）LCD 之接脚与孔位是否有氧化、冷焊或短路现象。

第五章 设计评述
电子秤课程设计心得：
这次的任务是在四周的时间设计一个汽车电子称，当接到这个课题时，感觉很不简单，顾起此次课程设计，感慨颇多，这次设计让我学到很多很多的以前没学到的东西，同时又巩固了以前所学过的知识，让我收获收获不小。
在设计的过程中可以说得是困难重重，这毕竟是第一次做传感器课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，设计的过程中我发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。也提醒自己要更加努力学习来扩充自己的知识。
通过这次课程设计，我对于相关软件的使用有了进一步的了解。同时，我们还通过查阅相关资料、请教指导老师和同学讨论等方式，对设计电路进行性能考证。同时上机能力也得到了提高。
在课程设计中最重要的就是要有耐心，在做这个题目中，会不断的查找资料，使用软件画图等，遇到困难的时候请教老师和同学一起解决办法。这次我真正的知道自己很多的不足和很多需要学习的东西，我相信通过以后的努力，在未来的课程等方面要有着重点，不要盲目的学，这样才能的不断提高自己的能力。

参考文献：
[1] 刘九卿.《数字式智能称重传感器的发展与应用》 [J]《衡器》2004年第5期;
报》，1999，（2）。
[2] 吴奇峰.《基于光纤传感的车辆动态称重检测系统的研制》(D).大连海事大学，
2006；
[3] 徐恕宏主编,《传感器原理及其设计基础》 北京；机械工业出版社，1988；
[4] 《检测与传感技术》 人民邮电出版社出版 主编：冯柏群、祁和义
[5] 百度搜索资料。