小型称重系统的设计.doc

第一章 小型称重系统意义及任务

1.1 小型称重系统概述及意义
定义：称重系统——把现有各个生产步骤称重设备有机组合到一个控制系统中，利用现代网络技术进行控制和管理。
狭义称重系统：利用简单电子衡器（如：电子台秤，大型汽车衡等）增加控制系统和计算机称重管理软件实现某个生产步骤自动控制和管理功效。比如：企业生产中配料、包装系统，进行控制、管理，实现称重数据保留、管理、打印输出等功效。
广义称重系统：整个工厂全部称重设备，经过现场总线或局域网方法进行控制和管理，它还能够向上位MRPII或ERP系统提供数据和预留数据接口。
现在，已经有很多自动化程度较高企业应用了称重系统，比如：食品加工、石油化工、水泥制造、电力供给等行业。

电子秤 基于PLC称重系统
伴随社会科技发展，称重技术也得到了广泛应用。称重工具已经从过去“杆秤”、“磅秤”、“度盘指针秤”发展到现在“电子秤”，以后称重工具发展方向是利用核子技术“非接触测量”核子秤。现在利用电子秤多个智能接口和计算机应用软件技术就能够组成一个功效强大称重系统。利用这个称重系统就能够有效提升企业智能化科学管理，从而提升企业生产过程管理和科学决议水平，提升企业综合效益。

1.2 虚拟仪器
虚拟仪器是伴随计算机技术、电子测量技术和通信技术发展起来一个新型仪器.在国外,虚拟仪器技术已经比较成熟了,因为其很强灵活性,使得该技术很适适用于现代复杂测试测量系统中。近几年,虚拟仪器技术在中国发展趋势也越来越收到重视。成熟虚拟仪器技术由三大部分组：高效软件编程环境，模块化仪器和一个支持模块化I/O集成开放硬件构架，该课程设计目标就是，经过部分功效简单仪表系统设计，要在这三个方面上有更深一步了解。

1.3 小型称重系统设计任务
利用金属箔式应变片设计一个小型称重装置。
首先在multisim中设计出应变片仿真模型和测量电路，然后在labview中利用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值，最终把设计好子VI导入到multisim中以完成整个设计。
本课程设计分为两部分：一、测量电路原理和设计 二：LabVIEW虚拟仪器设计。这两部分具体要求和功效以下：
一、测量电路原理和设计
1、 在multisim中设计出应变片仿真模型和测量电路。
2、 测量电路包含综合电路设计和综合电路仿真。
3、 电压V用来模拟物体质量m。
二、LabVIEW虚拟仪器设计
1、在LabVIEW中用G语言编程设计显示模块，直接显示称重值。
2、将设计好子VI模块图标导入到Multisim中。

1.4 小型称重系统设计系统框图
本系统总体框图以下：
仪用放大电路
百分比放大电路
电桥电路

显示模块

①电桥电路：将电阻改变率转换成电压（或电流）。
②仪用放大电路：差分放大电路作用是“滤去噪声，降低漂移”，反向百分比放大电路作用是“将双端输入变成单端输入并放大电压”。
③百分比放大电路：方便调整，并将输出信号反相。
④显示模块：将做好子VI模块化，即为综合电路中XMM1。

第二章 测量电路原理和设计
2.1 模型建立
电阻应变片工作原理基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它电阻值对应发生改变。应变片是由金属导体或半导体制成电阻体，其阻值伴随压力改变而改变。对于金属导体，导体改变率表示式为:
≈(1＋2μ)ε
式中：μ为材料泊松系数；ε为应变量。
通常把单位应变所引发电阻值相对改变称作电阻丝灵敏系数。对于金属导体，其表示式为:
K＝＝(1＋2μ)
　　所以: ＝Kε
　　在外力作用下，应变片产生改变，同时应变片电阻也发生对应改变。当测得阻值改变为ΔR时，可得到应变值ε，依据应力和应变关系，得到应力值为: σ＝Eε
　　式中：σ为应力；ε为应变量（为轴向应变）；E为材料弹性模量（kg／mm）。
　　又知，重力G和应力σ关系为
　　 G＝㎎＝σs
　　式中：G为重力；S为应变片截面积。
　　依据以上各式可得到：＝mg
由此便得出应变片电阻值改变和物体质量关系，即
ΔR＝Rmg
依据应变片常见材料（康铜），取K=2，E=16300kg∕mm，s=100mm，R=348Ω,g=9.8m∕s，ΔR=[（2×9.8×348）∕（16300×100）]m=4.185×10m。所以，multisim可用建立以下模型替换应变片进行仿真。模型以下
在图中，R模拟是不受压力时电阻R，压控电阻用来模拟电阻值改变ΔR，V能够了解为物体质量m（kg）。当V反接时，表示受力相反。

2.2 测量电路设计及原理
此部分包含电桥部分电路原理、放大电路原理、综合电路设计和综合电路仿真。
2.2.1 电桥部分电路原理
电阻应变计把机械应变转换成R/R后，应变电阻改变通常全部很小，这么小电阻改变既难以直接正确测量，又不便于直接处理。所以必需采取转换电路，把应变计R/R改变转换成电压或是电流改变。通常采取惠斯登电桥电路实现这种转换。
I
图所表示直流电桥中U
R
R4
R3
R2
R1
E
D
C
B
A

当电桥平衡时，相正确两臂电阻值乘积相等，即：
R×R=R×R
U=
设桥臂比n=R/R,因为ΔR<<R,分母中ΔR∕R可忽略，于是
U≈U
电桥灵敏度定义为：S==U
分析该式发觉：
1.电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高；不过供电电压提升受到应变片许可功耗限制，所以通常供电电压应合适选择。
2.电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n函数，必需合适选择桥臂比n值，确保电桥含有较高灵敏度。
由 =0求S最大值，由此得
==0
求得n=1时，S最大，也就是供电电压确定后，当R =R,R=R时，电桥电压灵敏度最大，此时可得到
U S=
由上式可知当电源电压U和电阻相对改变一定时，电桥输出电压及其灵敏度也是定值。且和各桥臂阻值大小无关。
因为上面分析中忽略了，所以存在非线性误差，处理措施有：
1）提升臂桥比。提升了臂桥比，非线性误差能够减小。但从电压灵敏度S≈考虑，灵敏度降低了，这是一个矛盾，所以采取这种方法时候应该合适提升供桥电压U。
2）采取差动电桥。依据被测试件受力情况，若使用一个应变片受拉，另一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥相邻臂上，成为半桥差动电路，则电桥输出电压U为
U=
若ΔR=ΔR,,,则有
U=
由此可知，U和成线性关系，差动电桥无非线性误差。此时，电压灵敏度为S=，比使用一只应变片时提升了一倍，同时能够起到温度赔偿作用。
若将电桥四臂接入4个应变片，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同应变片接入相对臂上，则组成全桥差动电路，如满足，则输出电压为
U=
由此可知差动电桥输出电压和电压灵敏度比用单片时提过了四倍，比半桥差动电路提过了一倍。
因为采取是金属应变片测量，所以本设计采取全桥电路，能够有比很好灵敏度而且不存在非线性误差。
2.2.2 放大电路原理
放大电路关键采取以下图所表示仪用放大电路。

图——仪用放大电路 图——百分比放大电路

该放大电路含有很强共模抑制比。它由两级放大器组成，第1级由集成运算放大器A和A组成，因为她们采取同一型号运算放大器，所以可深入降低漂移。电阻R,R和R组成同相输入式并联差分放大器，含有很高输入阻抗。第2级是由1个运算放大器A和4个电阻R,R,R和R组成反向百分比放大器，将双端输入变成单端输出。阻值R=R，R=R，R=R。
依据运算电路基础分析方法，可得到输出电压
U=－（1+2）(U-U)
为了方便调整，再加一级百分比放大器，同时将仪用放大电路输出 信号反向，如上图所表示。R为调零电阻。

2.2.3 综合电路设计

图---基于金属电阻应变片全桥电路
至此，基于金属电阻应变片压力测量电路设计完成，如上图所表示。图中V，V，V，V指代是同一电压V（考虑到方便电路绘制及保持电路元件符号不能反复，所以分开符号），电压V用来模拟物体质量m。由以上分析可知，采取全桥电路能够有比很好灵敏度，而且不存在非线性误差，所以由4个应变片（两个受拉，两个受压）可组成全桥电路，应变片受拉受压情况图中标注。
在图中，R为一调零电阻，用来调整电桥平衡。因为被测应变片性能差异及引线分布电容容抗等原因，电桥初始平衡条件和输出特征会受到影响，所以必需对电桥预调平衡，图中用了电阻并联法进行电桥调零。电阻R决定可调范围，R越小，可调范围越大，但测量误差也大。R可按下式确定
R＝
式中：△r为R和R偏差；△r为R和R偏差。此处电阻值应变片初始值。
在图中，R为增益调整电阻；R是放大电路调零电阻。电路中所选择放大器是OP07CP，它是一个低噪声、低偏置电压运算放大器。另外，二极管D和D可对电路起到保护作用。
另外，当采取交流电供电时，因为导线间存在分布电容，这相当于在应变片上并联了一个电容，为消除分布电容对输出影响，可采取电容调零，为采取阻容调零法电桥电路，该电桥接入了T形RC阻容电路，可调整电阻使电桥达成平衡状态。
2.2.4 综合电路仿真
将仪用放大电路两输入端接地，滑动变阻器调到最小值，即使放大电路放大倍数调到最大，然后调整，使电路输出近似为零。放大电路部分调零完成后，再和电桥电路相连，将模拟物体质量电压源值设为零，调整，使电路输出为零，从而完成电桥调零。电路参数调好以后，再以对电路进行仿真。
1．直流工作点分析
当电路中模拟物体质量电压源值设为零时，选择菜单栏Simulate→Analyses下“直流工作点分析”命令，观察此时综合电路中输出端16和仪用放大电路两输出端26和40直流电压值，以下图所表示。电路调零后，当物体质量为零时，电路输出端16电压近似为零。

直流工作点分析结果

2．直流扫描分析
现在来分析当物体质量逐步增加时，输出电压和质量关系。对于本设计，也就是当模拟质量m电压源值V改变时，观察电路输出电压改变情况。选择菜单栏选择菜单栏Simulate→Analyses下“直流扫描分析”命令，弹出“扫描设置”对话框，在图中选择要扫描直流源。在电路中把～用一个电流源V替换，所以直流源就选vv。在图中选择观察输出点，输出节点应选节点16。参数设置好后，单击Simulate按钮，可得直流传输特征图，即质量改变时输出电压改变曲线图。由图可知，输出电压线性度很好。

质量改变时输出电压改变曲线
3．交流分析
将仪用放大电路输入端改接交流源，电路输出节点仍然选择节点16，观察电路交流特征，图可看到放大电路通带放大倍数约为100倍，在输入信号频率大于1kHz时，放大倍数有所下降。

放大电路交流分析结果
4．傅里叶分析
设放大电路输入端接信号源是50Hz，100mV交流源，对放大电路进行傅里叶分析，图所表示。输出节点选择节点16，仿真结果图所表示，电路总谐波失真THD很小，各次谐波幅值全部很小。
当交流源幅值改为1V以后，再对电路进行傅里叶分析，结果图所表示。当交流源幅值增加后，各次谐波幅值显著增加，电路总
交流源傅里叶分析结果
5．参数扫描分析
对电路进行参数扫描，分析当电阻R改变时，放大电路放大倍数改变情况。参数扫描设置图所表示，输入变量选择输出节点电压和放大电路两个输出节点电压之差比值即为该放大电路放大倍数，仿真结果图所表示，可见差分运算放大器中间电阻阻值越大，放大倍数越小。

参数扫描分析结果
6．温度扫描分析
对电路进行温度扫描分析，分析环境温度改变时，电路会有何种影响。图所表示，可见当温度改变时，电路输出电压有微小改变。

温度扫描分析结果
第三章 LabVIEW虚拟仪器设计
LabVIEW是一个使用图形符号来编写程序编程环境，它是为科学家和工程师等设计一个编程开发环境和运行系统。
经过使用LabVIEW功效强大图形编程语言能够成倍地提升生产率，大家也称这种语言为G语言。使用传统编程语言需要花费几周甚至多个月才能编写程序，用LabVIEW只需多个小时就能完成。因为labVIEW是专为测量、数据分析并提交结果而设计，且LabVIEW拥有如此功效众多图形用户界面又易于编程，使得它对于仿真、结果显示、通用编程甚至讲授基础编程概念也是一样很理想语言。
和标准试验室仪器相比，LabVIEW提供了更大灵活性，我们能够定义仪器功效。LabVIEW程序是能够跨平台移植，能够应用在很多工业上得操作。

3.1 数据显示子程序设计
依据设计要求，在显示模块中需要显示电子电路输出电压Uo；应变片受压后电阻改变绝对值△R和最终度量量——重物质量m。另外，在显示模块中，又加入部分参数：灵敏系数k，弹性模量E，应变片截面积S和电阻值R。
由上节分析可知：△R =Uo／118.4 m=
依据上面2个式子和对labVIEW基础介绍，可建立一个子VI，具体步骤以下所述。
1） 选择“开始”菜单→National Instruments labvIEW 8.2命令，在Getting Stared窗口左边Files控件里选择Blank VI，建立一个新程序。
2） 框图程序绘制。图中Uo是Multisim中所设计电路图输出电压。添加方法为在前置板中右击打开控制模板，选择图中数字控制元件，名称修改为Uo，Uo在框图面板下以图标显示。因为要节省空间，在图标上右击，取消选择View As Icon命令，则显示形式图所表示。一下框图全部是采取非图标显示形式。
常量9.8是重力加速度g数值，程序中除以9.8后输出为质量，单位是kg，再乘以1000后，输出单位是g。
其它各常量图所表示，在各常量上右击选择创建指示器，并修更名称，比如，弹性模量E和应变片面积S等。运算函数，如乘除运算等可在功效面板中选择，图所表示。放置好元件后，依据功效完成连线。最终，输出端图中所表示Meter指示器座位质量显示仪表。以上各模块均为橘黄色，数据类型为双精度类型(R'为△R)。

子VI设计图

接下来是建立前面板上控件和连接器窗口端子关联。输入和Uo关联；输出6个端子分别和输出质量、灵敏度、弹性模量、电阻、电阻改变绝对值、应变片面积相关联。完成上述工作后，将设计好VI保留。下次调用该VI时，图标和端口以下图所表示。

子VI图标和端口

3.2 接口电路设计和编译
相关接口研究及LabVIEW仪器向Multisim导入原理请参考第7章内容。本设计中接口电路设计和编译分以下三部：
1） 把Multisim安装目录下Sampling→LabVIEW Instruments→Templates→Input文件夹复制到另一个地方。
2） 在LabVIEW中打开步骤1）中所复制StarterInput Instruments.Ivproj工程。接口电路设计在Starter Input Instruments.vit中进行。
3） 打开Starter Input Instruments.vit框图面板，完成接口框图设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中Update Data选项进行修改。按框图中说明，在结构框中点击选择Select a VI命令，把LabVIEW完成子VI添加在Update Data框中即可。此时，只是添加，不可修改框图面板原状，以下图所表示。
显示仪板程序框图
由图可知，子VI输出端有6个输出端口，在每个端口处点击创建指示器。在输入端口，需要处理数据类型匹配问题。依据系统原始接口设置，从Multisim 向LabVIEW中虚拟仪器输入是一个多维数组（它数据类型是不能改变）。为了和设计子模块输入数据类型相匹配，需要加部分数据转换器，把两个数据毒端口连接起来，图所表示，data后第1个程序模块是波形建立模块，接着是提取Y值模块。实现数据类型匹配还有另外两种方法，这将在以后章节设计实例中介绍。
程序框图设计好后，要进行前面板设计，除了要完成功效外，还要兼顾美观。完成后选择重命名，保留为proj1.vit。
4） 编译之前，要对虚拟仪器进行基础信息设置。
打开subVIs下面starter input Instrument_multisimInformation.vi后面板，在仪器ID中和显示名称中填入唯一标识，比如，一起设为Plotterhxx11。同时，把输入端口数设为1，因为只有一个电压输入；把输出端口设计为0，此模块不需要向Multisim 输出信号。设置完后另存为Proji1_multisimInformation.vi。注意，后半部分名字和接口程序部分命名必需一致。
5） 双击Build Specifications，选择Source Distribution命令，选择Properties命令，在保留目录和支持目录中全部将编译完成后要生成库文件重名，比如，命名为proj1.lib。同时，在原文件设置中选择总是包含全部包含条目。属性设置完成并对工程进行保留后，再在Source Distribution上点击，在弹出菜单中选择Build命令即可。
6） 编译完成后，在Input文件夹下生成一个build文件夹，打开后把里面文件复制到Electronics Workbench\EWB89下Ivinstruments文件夹中，这么就完成了虚拟仪器导入步骤。再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单就会显示模块plotterhxx11。

第四章 试验数据处理及仿真结果
4.1 试验数据处理
下表为仿真试验而得数据，包含电阻改变和输出电压值。
m/kg
R=0.004185m
U/V
m/kg
R=0.004185m
U/V
0.02
0.0000837
9.913×10
0.12
0.0005022
59.477×10
0.04
0.0001674
19.825×10
0.14
0.0005859
69.39×10
0.06
0.0002511
29.738×10
0.16
0.0006696
79.303×10
0.08
0.0003348
39.651×10
0.18
0.0007533
89.216×10
0.10
0.00004185
49.564×10
0.20
0.000837
99.129×10
使用最小二乘法对以上数据进行拟合，设拟合直线方程式为：y=kx+b
其中，y表示输出电压U，x表示电阻改变△R。
实际校准测试点有10个，第i个校准数据y和拟合直线上对应值之间残差为：△= y-(K x+b)
最小二乘法拟合直线原理是使为最小值，也就是使对K和b一阶偏导数等于零，即
=2
=2=0
从而得到
K= b=
代入数据，近似求得：K≈118.4 b≈0
即y=118.4x。换为电压U和电阻改变△R关系为：
U=118.4×△R (1)
再依据电阻改变和压力关系：
便能够得出电阻改变和压力关系；即： ΔR= (2)
把式(2)代入式(1)中可得输出电压改变和压力间关系
U=
将E=16300,S=100,R=348,K=118.4等常数带入到上面两式得到
ΔR= U==

4.2 最终仿真结果
经过以上设计及分析，全部相关此称重系统设计完成。打开Multisim10.0，导入后显示模块。连接设计好电路和显示模块，电路调零后，进行仿真，验证电路设计及显示模块设计是否合理。下图为60g和80g重物仿真图，能够看出设计基础符合要求。

60g重物仿真图 80g重物仿真图
第五章 小型称重系统设计小结
5.1 设计过程中碰到问题及处理方案。
1、 在分析电桥部分电路原理，为何没有采取单臂电桥？
答：在分析过程中，我们很轻易想到常常使用单臂电桥，但发觉灵敏度不够高，而如将电桥四臂接入4个应变片，两个受拉，两个受压，组成全桥差动电路，灵敏度提升了4倍。而且不存在非线性误差。
2、 为何采取仪用放大电路和百分比放大电路，而不是通常放大电路？
答：仪用放大电路第一级是差分放大器，能够滤掉噪声，降低漂移，这对于后面提取信号，分析综合电路工作点含相关键意义。而百分比放大电路将信号反相且放大。
3、 综合电路仿真过程中数据和理论存在误差，可能是因为参数设置不一样而造成。
4、 在子VI设计图中，为何会出现固定常数，如118.4,348等？
答：这些常数设置是经过试验电路图中将电压U转换成质量m时产生一一对应数据。
5、 在接口电路设计和编译中，碰到无法找到有些部分数据设置窗口和设计好子VI导入到multisim中？
答：造成无法打开有些数据设置窗口原因是软件版本不一样，所以在做试验过程中也不用一味根据书本上得步骤来，能够经过查阅其它书籍方法来完成课程设计。
5.2 此次课程设计心得体会
Multisim软件界面形象直观，操作方便，分析功效强大，易学易用。作为电子信息科和学技术专业本科生，应该学会利用该软件来完成我们电路分析和工程设计，它能够提升设计效率，降低设计系统开发时间。
此次课程设计经过Multisim对应变测量电路进行仿真设计，电路输出电压经LabVIEW虚拟仪器仿真后，可直接显示重量值、应变值及其它参数信息，使设计目标明确，显示具体；而且，经过软件设计显示模块在正确度上比硬件更强，更不易受干扰。

参考文件:
Multisim&LabVIEW虚拟仪器设计技术 周景润 郝晓霞
编著 北京航空航天大学出版社。.
‚LabVIEW大学实用教程（第三版） 【美】Jeffrey Travis，
Jim Kring 著 ，乔瑞萍 等译。北京，电子工业出版社。
ƒLabVIEW程序设计和应用 杨乐平，李海涛等编著，北京，
电子工业出版社，。