基于霍尔式传感器的电子秤

霍尔式传感器的电子秤的创新设计 姓名：徐志远 班级：理工10-3班 学号：22100832一、创新的背景称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性，伴随着高科技的发展，电子秤的功能将会日趋完善。因此，一种能够在未来更方便、更准确的普及型电子秤的发展受到人们的重视，设计一种重量轻、计量准确、读数直观的民用电子秤迫在眉睫。 二、电子称创新的思路 电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：A、承重传力复位系统； 它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。B、称重传感器；即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。C、测量显示和数据输出的载荷测量装置；即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。三、霍尔传感器 霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通过恒定电流、霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移量，如图所示。 霍尔传感器内部原理图霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。当有B作用时，由于洛伦兹力的作用，电子向一边偏转，并使该边积累电子，而另一边则积累电荷，于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转。当电场作用在运动电子上的电场力与洛伦兹力相等时，电子积累便达到动态平衡。这时建立的电场称为霍尔电场，霍尔效应原理图如下图所示。四、电子秤设计思想 设计电子秤，可以通过构造电路将物体质量和指示表中数据一一对应，即使两者呈一定的线性关系；而建立两者之间的对应关系就需利用传感器将非电量转化为电学量，可简单通过下图表示。线性对应物体重量指示表非电量电量传感器 按照电子秤设计的要求，可确定电子秤电路由以下几部分组成：主副电源部分、电桥平衡网络单元、称重传感器部分、运算放大部分、电压表显示部分组成，如图所示。 运算放大部分称重传感器电桥平衡网络主副电源F/V表显示工作原理：当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，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、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。需要指出的是，由于本实验中没有用到单片机的有关知识，而直接使用CSY传感器实验仪，故经放大电路放大的信号直接进入F/V表，从而直接得出物体重量与输出电压值的关系，继而计算出灵敏度。硬件电路设计原理说明及电路图原理说明：在直流稳压电源的激励下，首先调整电位继W1使电压表示数为零，以补偿不等位电势（不考虑温度误差的影响）；当有重物放在振动平台正中央且霍尔元件通过恒定电流时，霍尔元件会在梯度磁场中向下移动时，输出的霍尔电势也为负值，即与位移相对应，且与位移在一定程度上呈线性关系；输出的霍尔电势经差动放大器放大显示在F/V表上，经过多次实验可得出被测物体重量与电压表示数的关系，从而通过看放未知重物时的电压表示数可迅速得到其重量。电子秤原理图如图所示。 +2V-2VW1r直 流 稳 压 电 源+V 5、 总结 本设计过程充分利用传感器的有关知识，利用霍尔传感器设计的简单电子秤很大程度上满足了