实用电子秤的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
与制作
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实用电子秤的设计与制作
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一、 课程设计任务
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1(设计框图
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利用传感器与检测技术实验室已有的应变式称重台,将四片应变片采用全桥
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形式接入测量电路,经过运放OP07组成的仪表放大器放大,再由串行模数转换
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芯片TLC549进行A/D转换,转换结果送入单片机AT89C51,通过同向门7407
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驱动四位数码管显示。仪表放大器的输出需经采集卡采集,经过CSY9.0虚拟仪
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器软件分析,得到较好的线性度和灵敏度后,才能再送入AD芯片进行转换。系
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统框图如图1所示。
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?15V供电
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图1 电子秤系统框图
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2(基本要求
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(1) 掌握金属箔式应变片的应变效应。
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(2) 掌握单臂、半桥和全桥电路的工作原理和性能。
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(3) 利用multisim仿真软件,确定仪表放大器设计
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
;应用运放OP07设计三
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运放仪表放大器,确定电路元器件具体参数;在通用板上制作电路板。
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(4) 仪表放大器增益可调,放大倍数自行确定;应变电桥和放大电路应具有调零
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功能。
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(5) 能够利用汇编或C51语言编写正确程序,调试电路板,采集放大器的输出电
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压,并显示。
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(6) 考虑A/D分辨率为20mV,要求灵敏度不低于40mV/20g。
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(7) 利用CSY-V9.1虚拟仪器采集测量电路的输出电压至电脑中,并分析数据。
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要求非线性误差小于1.50%。
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(8) 编写课程设计报告,完成设计任务的期限为二个星期。
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3. 成绩评定
方法
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
与
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
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本次综合实训的成绩分为优秀、良好、中等、及格、不合格共5档。成绩将
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具体从以下5个方面评定,每个方面的成绩均占总成绩的20%。
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(1) 工作原理
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主要内容有金属箔式应变片的应变效应和横向效应;单臂、半桥和全桥电路
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的工作原理和性能比较;仪表放大器的工作原理和特点;A/D转换的原理;单片
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机编程基础知识。该项采用面试的方式进行,随机提问3至5个问题。
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(2) 仿真结果
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在multisim7中仿真电路的结果;电路中元器件参数的选择。
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(3) 工艺质量
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线路板焊接的实物外观,比如焊点、整体布局、走线的合理性、插孔的摆放、
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是否整洁美观等。
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(4) 测量效果
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从DRLAB实验台中检查重量误差的大小;从CSY9.0虚拟仪器软件中检查非
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线性误差和灵敏度的值;
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(5) 实训报告
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要求能完整反应整个实训设计和制作过程,整理出
规范
编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载
的报告。具体格式参
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照毕业设计论文要求。内容包括以下几个方面。
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a、封面
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b、目录
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c、前言(课题的背景)
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d、硬件制作(应变片称重原理、仪表放大器原理、A/D转换、数码管显示)
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和程序设计(流程图、调试界面)。采用自己的语言,简洁明了的说明自己
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的理解和方法,不可摘抄。
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e、调试过程(包括:调试步骤、故障分析、测试数据和数据分析、结论)。
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f、体会和建议
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g、附录一 Multisim7电路仿真原理图和protel电路图
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附录二 线路板实物图(测量状态)
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附录三 元件明细表
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附录四 CSY9.0测量结果截屏图或DRLAB开放式实验平台测量结果截屏图
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附录五 系统程序
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二、 设计总体要求
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1(认真阅读本设计任务书,了解本设计的任务和要求。
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2(认真复习《传感器与检测技术》和《单片机原理与应用》课程中有关应变式
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传感器和A/D转换、数码管显示的有关内容。
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3(适当查阅一些与设计有关的参考资料,鼓励同学创新。
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4(利用protel99画出系统完整电路图,包括仪表放大器和单片机系统两大部分。
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6(特别要注意焊接装配的质量,认真搞好焊接装配工艺,焊接完毕后一定要细
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心检查有无错误、错焊元件、焊接点与接地点短路等。在焊接装配完成后,
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要认真检查部件的焊接情况,在与电路图反复对照确属无误后,方可接上直
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流电源,特别要注意电源接法。
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7(遵守实验的规章制度,掌握传感器CSY3000型实验台的操作方法,爱护仪表,
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切忌发生人身安全和仪表设备安全事故。
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8(精心调测,尽量得到较高的灵敏度和较低的非线性误差。
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9(认真地写出设计报告,要做到理论与实际相结合,通过设计中的计算、装配、
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调测,巩固理论,验证理论,书写设计报告是一个从感性认识向理性认识发
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展的过程,也时考察同学们在本设计中有无收获以及收获大小的标志。
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三、 采用应变片称重的基本原理
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电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感
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器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上
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时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路转换成电量输
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出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。其主要缺点是输出信号小、线性
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范围窄,而且动态响应较差。但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格
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可供选择,而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合,所以用
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应变片制造的应变式压力传感器在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中
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仍有非常广泛的应用。
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应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴
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在测试体表面,测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻值也随之
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发生相应的变化。通过测量电路,转换成电信号输出显示。
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当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时,试件受力引起的表面应
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变,将传递给应变片的敏感栅,使其产生电阻相对变化ΔR/R。在一定应变范围
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内ΔR/R与ε的关系满足下式:
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,R,,K R
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式中,ε为应变片的轴向应变。
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定义K=(ΔR/R)/ε为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在
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其轴向受到单向应力时,引起的电阻相对变化ΔR/R与其单向应力引起的试件表
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面轴向应变ε之比。
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电阻应变片计把机械应变转换成ΔR/R后,应变电阻变化一般都很微小,例
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如传感器的应变片电阻值120Ω,灵敏系数K=2,弹性体在额定载荷作用下产生
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的应变为1000μ,应变电阻相对变化量为:
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ΔR/R = K*ε= 2*1000*10ˉ6 =0.002
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可以看出电阻变化只有120*0.002=0.24Ω,其电阻变化率只有0.2%。这样小
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的电阻变化既难以直接精确测量,又不便直接处理。因此,必须采用转换电路,
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把应变片计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用惠斯登电桥电路实现
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这种转换。
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若将电桥四臂接入四片应变片,如图2所示,即两个受拉应变,两个受压应
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变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成全桥差动电路。
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在接入四片应变片时,需满足以下条件:相邻桥臂应变片应变状态应相反,
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相对桥臂应变片应变状态应相同。可简称为:“相邻相反,相对相同”。 此时
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ERRERRR()(),,,,,UE,,,o 22RRR
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全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度 图2 全桥电路
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为单片工作时的4倍,同时具有温度补偿作用。
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除上述全桥电路外,还有单臂和半桥电路两种。单臂、半桥、全桥电路的灵
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敏度依次增大;当E和电阻相对变化一定时,电桥的输出电压及其电压灵敏度
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与各桥臂阻值的大小无关。本次实训采用全桥电路。电桥供电电源为5V。
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四、 测量电路的设计
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1(仪表放大器的工作原理
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由于传感器的输出信号往往较小,必须经过放大电路进行调理放大,再进行
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测量。常用的放大电路可以由单运放放大器、双运放放大器、三运放放大器或直
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接由集成仪表放大器(如AD620、AD623)等构成。下面以三运放构成的仪表
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放大器为例说明仪表放大器的工作原理及性能指标,运算放大器选择高精度运放
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OP07。
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1)基本电路及放大原理
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Vo
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V1OP1 R4
R2V1'R3
VoR1V2' R2R3OP3
R4V2
OP2
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图3 三运放电路原理图
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如上图,由运算放大器特性可知
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OP1:
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OP2:
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由分压原理可得
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R2V,V',(V,V') 1121R,R 12
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R2V,V',(V,V') 2212R,R 12
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RR22V',(1,)V,V 112RR 11故
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RR22V',(1,)V,V 221RR 11
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由于放大器OP3为差值放大器,可知
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R4V,(V',V') 021R 3
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所以其差值放大倍数为
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VRR2042gain,,,(1) V,VRR 2131
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当要改变增益时,仅须调整可变电阻R1即可。
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2)第二级放大电路的工作原理
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-15V 18 R103Vout V*out610k 2U4 OP07 R11+15V74 10k
P2R12 10kW103
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图4 第二级放大器原理图
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第二级放大电路其实是一个增益可调的同相运算放大器,其作用是把第一级
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放大电路输出的电压进一步放大,以满足需要,工作原理如下:
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设U4的输出电位为V*out,输入第一级放大电路输出Vout,而可变电阻P2
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的实际有效接入部分的阻值为RP。对U4而言, —、+ 两端的电位应近似相等,
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V,V,V2,3,out 即:
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而流过R11 、R12电阻上的电流I11 、I12可分别表示为:
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**V,VV,VVVoutoutout2,2out ,I,,I,,,,1211 R,RR,RRR1111PP1212 ;
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,,R,R*12P ,,V,1,Voutout,, RI,I,011,,1112又因为 所以整理后,可得:
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放大系数(增益)为:
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*VRR,12outP K1,,,2 VR11out
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设电阻阻值分别为R11=10kΩ,R12=10kΩ,0?RP?10kΩ,则第二级放大电路的
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理论计算增益为:
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RP 2,K,2,,32 R11
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2(集成运算放大器OP-07
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OP-07有A、D、C、E各档,它是高精度运算放大器,具有极低的失调电压
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(10μV)和偏置电流(0.7nA),它的温漂系数为0.5μV/?,OP-07具有较高的
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共模输入范围(?14V),共模抑制比CMRR=126dB,以及极宽的供电电流范围
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(从?3V到?18V),双电源供电。AD OP-07的封装、管脚排列以及基本连接
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方式如下图所示,OP07一般不需要调零,如需调零,可在1和8管脚之间接一
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个电位器,阻值可为20k,参见基本接法图。
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图5 AD OP-07封装图
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调零 调零 R2 1 8
+15V 7 R1 -IN 2 7 +Vs Vin 2 6 Vout +IN 3 6 OUT 3 R3 8 4 1 NC -Vs 4 5 -15V 20k
+15V
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管脚功能图 基本接法
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图6 运算放大器引脚图
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3(参考电路
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图7,图8是压力传感器的测量电路,由两个部分组成。前一部分是采用三
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个运放构成的仪表放大器,后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。
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R28是电桥的调零电阻,R42是整个放大电路的调零电阻,R29,R40调整运放
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增益。仪表放大器因为输入阻抗高,共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。其
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增益可用下式表示:
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2R30 R29A,(1+)
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图7 仪表放大器
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图8 反相放大器
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4(Multisim7电路仿真
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(1) 仿真软件Multisim7
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电子仿真软件Multisim7是加拿大交互图像技术有限公司(Interactive Image
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Technologies Ltd. CO.)于2003年推出的最新版本。它将以前推出的EWB5.0和
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Multisim2001版本功能大大提高,Multisim7版本电子仿真软件是目前世界上最
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先进、功能最强大的仿真软件,是仿真软件的佼佼者。
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Multisim7是一个完整的设计工具系统,提供了一个非常大的元件数据库,
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并提供原理图输入接口、全部的数模Spice仿真功能、VHDL|Verilog设计接口与
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仿真功能、FPGA|CPLD综合、RF设计能力和后处理功能,还可以进行从原理图
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到PCB布线工具包(如:Ultiboard2001)的无缝隙数据传输。它提供的单一易
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用的图形输入接口可以满足设计需求。
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(2) Multisim7基本界面
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基本界面如图1-1所示。基本界面最上方是菜单栏(Menus),共11项;菜
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单栏下方左面为系统工具栏(System Toolbar),共11项;中间为设计工具栏
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(Multisim Design Bar),共8项;再往右是使用中元件列表(In Use List)和帮
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助按钮;右上角为仿真开关(Simulate Switch)。
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基本界面的左侧为元件工具栏,其中23个元件库中分别放置同一类型的元
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件,左列从上到下分别是电源库(Source)、基本元件库(Basic)、二极管库(Diode)、
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晶体管库(Transistor)、模拟元件库(Analog)、TTL器件库(TTL)、CMOS器
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件库(CMOS)、各种数字元件库(Miscellaneous Digital)、混合器件库(Mixed)、
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指示器件库(Indicator)、其它器件库(Miscellaneous)、射频元件库(RF)和机
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电类器件库(Electro mechanical)。右列为与实际元件相对应的现实性仿真元件
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模型快捷键按钮,共10类,从上至下分别是:虚拟电源库、虚拟信号源库、虚
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拟基本元件库、虚拟二极管库、虚拟三极管库、虚拟模拟元件库、其它虚拟元件
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库、常用虚拟元件库、虚拟3D元件库、虚拟测量元件库。另外,左侧下方还有
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“放置总线”、自动通过因特网进入EDAparts.com网站的“.com”等4个功能按
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钮。
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基本界面的右侧为仪表工具栏,该工具栏含有17种用来对电路工作状态进
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行测试的仪器仪表,这17种测量仪器仪表从上到下分别为数字万用表、函数信
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号发生器、瓦特表、示波器、4通道示波器、扫频仪、频率计、字信号发生器、
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逻辑分析仪、逻辑转换器、I-V特性分析仪、失真分析仪、频谱分析仪、网络分
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析仪、美国安捷伦函数信号发生器、美国安捷伦字万用表和美国安捷伦示波器。
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基本界面的中间部分即电路窗口,相当于一个现实工作中的操作平台,电路
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图的编辑绘制、仿真分析及波形数据显示等都在此窗口中进行。
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基本界面最下方为状态栏,状态栏显示有关当前操作以及鼠标所指条目的有
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用信息。
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图9 基本界面
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(3) Multisim7使用方法
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, 调用元器件操作
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单击基本界面左侧元件库第2个基本元件图标(Basic),将出现Select a
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component 对话框,单击Family栏中的RESISTOR,再拉动Component栏的滚
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动条,选取100ohm,单击“OK”,再在平台上单击左键即可将电阻R1(在Multisim7
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软件中,由于习惯不同,没有下标的标注)放置到平台上,继续单击左键可连续
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放置电阻,单击右键停止放置;双击R1,将出现RESISTOR对话框,在Label
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页下,将Reference ID栏改为R4,按“确定”退出;单击R4,可在R4四周出
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现4个小方块,再单击菜单Edit/90Clockwise,可将R4顺时针转90度竖放;当
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单击R4四周出现4个小方块时按住鼠标不放,可将R4拖放到平台的任何地方;
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右击R4,在出现的下拉菜单中选“Cut”可删除该元件。
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, 连接线路
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放置好元器件后需要对其进行线路连接,操作步骤如下:
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将鼠标指向所要连接的元件引脚上,鼠标指针就会变成带十字圆点状。
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单击并移动鼠标,即可拉出一条虚线;如要在某点转弯,则在转弯处单击一
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下,然后继续连线。到终点后单击鼠标即自动产生红色连线。
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要删除连线,用鼠标右击该连线,在出现的下拉菜单中选“Delete”即可。
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五、 A/D转换与显示
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1(A/D转换
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一般电子秤的A/D转换精度越高越好,A/D精度越高,电子秤的灵敏度越
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高。但12的A/D芯片价格比较贵,考虑到实验室条件,本次设计采用8位串行
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A/D芯片TLC549。
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TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行 A/D转换器芯片,可与通用
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微处理器通过SDO、SCLK、CS三条口线进行串行接口 "具有4MHz片内系统
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时钟和软硬件控制电路,转换时间最长17微秒。允许的最高转换速率为40000
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次/秒。总失调误差最大为?0.5LSB(最低有效位)。可用于较小信号的采样。与
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AT89C51的具体连接线路如图10所示。REF+接5V电源,REF-接地,图中输入
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电压为3.35V,TLC549的AIN引脚接仪表放大器的输出端。SDO、CS 、SCLK
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分别接AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2 引脚。
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图10 TLC549电路连接
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典型的驱动程序如下。tlc549在读出前一次数据后,马上进行电压采样,ADC
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转换,转换完后就进入HOLD模式,直到再次读取数据时,芯片才会进行下一
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次A/D转换。也就是说,本次读出的数据是前一次转换的值,读操作后就会再
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启动一次转换,一次转换所用的时间最长为17uS,芯片没有转换结束信号输出。
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DAT BIT P2.0
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CS BIT P2.1
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CLK BIT P2.2
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ORG 0000H
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AJMP MAIN
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ORG 0100H
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MAIN:
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MOV SP,#60H
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ACALL TLC549_ADC
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MOV R7,#0
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DJNZ R7,$
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ACALL TLC549_ADC
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SJMP $
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TLC549_ADC:
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CLR A
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CLR CLK
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CLR CS
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MOV R6,#8
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TLC549_L1:
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SETB CLK
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NOP
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NOP
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MOV C,DAT
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RLC A
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CLR CLK
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NOP
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DJNZ R6,TLC549_L1
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MOV P1,A
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SETB CS
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SETB CLK
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RET
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;
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END
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2(数码管显示
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采用4位共阴数码管显示电压值。考虑到元器件的购买,统一采用7407驱
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动数码管。具体连接电路如图所示。鼓励采用自己的显示方式。
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图11 数码管显示电路
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六、 电子秤电路调试
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1. 根据图12所示,应变式传感器已经装在传感器试验台上。传感器中各应
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变片上的R1、R2、R3、R4接线颜色分别为黄色、蓝色、红色、白色,可
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用万用表测量同一种颜色的两端判别,R=R=R=R=350Ω。 1234
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图12 应变式传感器安装示意图
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2. 接入电源,拨通电源开关,将实验板调节增益电位器R29(参考图7和图
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8)顺时针调节大致到中间位置,再进行仪表放大器调零,方法为将仪表
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放大器的正、负输入端(在做板时要预留插孔)与地短接,调节电路板
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上调零电位器R42,输出的电压读数为零,关闭电源。(注意:当R29、
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R42的位置一旦确定,就不能改变。一直到做完实验为止)
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3. 电路板上的R25、R26、R27接入350Ω电阻,接成直流全桥。检查接线无
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误后,接通电源。调节电桥调零电位器R28,使电路板的输出电压压降为
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零。
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4. 在托盘上放置一只砝码,读取电压数值,依次增加砝码和读取相应的电
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压值,直到1Kg砝码加完。记下实验结果填入表1-1中,关闭电源。
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表1-1
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重量(g) „
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电压(mv) „
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5. 直接将放大器的输出与实验台的串口相连,利用CSY9.0软件采集数据,
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并分析系统灵敏度和非线性误差。或者送入DRLAB开放式传感器实验平
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台,测量出重量误差。
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,U ,W6. 根据表1-1计算系统灵敏度S=(输出电压变化量与重量变化量之比)
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和非线性误差:δ=?m/y×100%式中?m为输出值(多次测量时为平ƒ1F。S
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均值)与拟合直线的最大偏差:y满量程输出平均值,此处为1Kg。 F。S
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七、 思考题
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1、单臂电桥时,作为桥臂电阻应变片应选用:(1)正(受拉)应变片(2)
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负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。
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2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时,应放在:(1)
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对边(2)邻边。
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3、测量中,当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时,即R1,R3,
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R2,R4,而R1?R2时,是否可以组成全桥:(1)可以(2)不可以。
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4、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片,如图
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1—4,如何利用这四片应变片组成电桥,是否需要外加电阻。
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图1,6 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图
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