电子称设计及制作

目录电子秤设计与制作2一、电子秤概述21电子秤的发展22电子衡器的分类33电子衡器的发展动态3二、电子秤的组成41电子秤的基本结构42电子秤的工作原理53电子秤的计量性能5三、方案论证61、称重传感器61常用各种称重传感器62电阻应变式称重传感器72、放大电路101、差分比例运放电路102、三运放数据放大器113、集成仪表放大器11四、总方案设计12五、验证及分析13六、心得体会14参考文献15电子秤设计与制作摘要本文通过对现代电子秤的分析，利用应变片的特性，制作成一个简易的电子秤，实现对轻质量物体的称重过程，并对称重精度加以测量分析。关键词应变片；AD623；桥变换。一、电子秤概述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。因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。下面简单介绍电子秤或电子衡器的有关知识。1电子秤的发展（1）电子技术渗入衡器制造业随着第二次世界大战后的经济繁荣，为了把称重技术引入生产工艺过程中去，对称重技术提出了新的要求，希望称重过程自动化，为此电子技术不断渗入衡器制造业。在1954年使用了带新式打印机的倾斜杠杆式秤，其输出信号能控制商用结算器，并且用电磁铁机构与代替人工操作的按键与办公机器联用。在1960年开发出了与衡器相联的专门称重值打印机。当时的带电子装置的衡器其称量工作是机械式的，但与称量有关的显示、记录、远传式控制器等功能是电子方式的。（2）电子秤步入社会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。近年来，电子秤已愈来愈多地参与到数据处理和过程控制中。现代称重技术和数据系统已经成为工艺技术、储运技术、预包装技术、收货业务及商业销售领域中不可缺少的组成部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为电子秤的发展奠定了其础，国外如美国、西欧等一些国家在20世纪60年代就出现了01称量准确度的电子秤，并在70年代中期约对75的机械秤进行了机电结合式的电子化改造。我国的衡器在20世纪40年代以前还全是机械式的，40年代开始发展了机电结合式的衡器。50年代开始出现了以称重传感器为主的电子衡器。80年代以来，我国通过自行研制、引进消化吸收和技术改造，已由传统的机械式衡器步入集传感器、微电子技术、计算机技术于一体的电子衡器发展阶段。目前，由于电子衡器具有称量快、读数方便、能在恶劣环境下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化等特点，已被广泛应用于工矿企业、能源交通、商业贸易和科学技术等各个部门。随着称重传感器技术以及超大规模集成电路和微处理器的进一步发展，电子称重技术及其应用范围将更进一步的发展，并被人们越来越重视。2电子衡器的分类电子衡器实际上由两个测量部分组成，即“力电”转换元件（称重传感器）以及显示仪表。电子衡器大致可以分为两大类，一类是在杠杆式机械衡器的基础上增加一套“位移数字”转换及测量装置，将被称物体的重量直接用数字显示出来。这类衡器，通常采用码盘、光栅、电磁平衡力矩器、同步感应器或陀螺传感器等。这种电子衡器人们通常称其为光栅电子秤、码盘电子秤、电子磁力电子秤、同步感应电子秤或陀螺电子秤。另一类电子衡器是通过称重传感器，将被称物体的重量直接转换为与被测重量成正比的电量信号，再由电子测量装置计量其大小，并直接显示其重量数据，这类电子衡器一般称为传感器式电子衡器，我们本讲所学的就是此类电子衡器。3电子衡器的发展动态电子衡器产品量大面广、种类繁多，从通用的各种规格的电子秤到大型的电子称重系统，从单纯的称重、计价到生产过程检测系统的一个测量控制单元，其应用领域在不断地扩大。根据近年来电子称重技术和电子衡器的发展情况及电子衡器市场的需求，电子衡器总的发展动向为小型化、模块化、智能化、集成化；其技术性能趋向于速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其应用性趋向于综合性、组合性。小型化体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。为使电子衡器的承载器达到小、薄、轻，开始采用重量轻且刚度大的空心波纹铜板和方形闭合截面的薄壁型材。模块化电子衡器的承载器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率，降低了成本。智能化与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。集成化对于某些品种和结构的电子衡器，可以实现承载器与称重传感器一体化或承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。综合性电子称重技术和电子衡器产品的应用范围不断扩大，它已渗透到一些学科和工业自动控制领域。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结合，使称重、计价、进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电子计价秤能与电子计算机联网，把称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。组合性在工业生产过程或工艺流程中，不少称重系统还应具有可组合性，即测量范围可以任意设定；硬件能够依据不定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可使用不同的语言，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。二、电子秤的组成1电子秤的基本结构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（1）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。（2）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。3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。12电子秤的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。3电子秤的计量性能电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有量程、分度值、分度数、准确度等级等。（1）量程电子衡器的最大称量MAX，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。（2）分度值电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用E或D来表示。（3）分度数衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用N表示。电子衡器的最大称量MAX可以用总分度数N与分度值D的乘积来表示，即DNMAX（4）准确度等级国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成、四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数N的范围2，如下表1所示标志及等级电子秤种类分度数范围特种准确度基准衡器N100000高准确度精密衡器10000N100000中准确度商业衡器1000N10000普通准确度粗衡器100N1000表1电子秤等级分类三、方案论证1、称重传感器称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整机误差的5070。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。1常用各种称重传感器称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的转换元件。电容式称重传感器是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它是以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。近些年来由于集成电路特别是微处理技术的发展，可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影响，并可利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性进行补偿，所以电容式传感器在电子称重技术中的应用又得到了重视，在国内已出现了可与电阻应变式传感器电子秤准确度相比的电容式台秤和电容式吊秤等产品。压磁式称重传感器也称磁弹性传感器，它是一种力电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小、能在恶劣的环境中工作、结构简单便于加工等优点。缺点是准确度低、反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的承受大吨位，并要求牢固可靠、安全报警等测力或称重场合。谐振式称重传感器也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着被称物体重量的变化而产生频率变化现象而形成的一种传感器。谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。在称重技术中主要采用的是振弦式称重传感器和振梁式称重传感器类的一种复合音叉振子传感器。2电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的传感器。电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计它作为传感元件将弹性体的应变，同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为106102，随之而产生的电阻变化率也大约在106102数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪表很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变式称重传感器工作原理框图如图1所示载荷P应变电阻变化R输出电压图1电阻应变式称重传感器工作原理框图当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。敏感元件应变片测量电桥电阻应变式称重传感器桥式测量电路如图2所示图2电阻应变式桥式测量电路R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，RM为温度补偿电阻，E为激励电压，V为输出电压。若不考虑RM，在应变片电阻变化以前，电桥的输出电压为ER4321由于桥臂的起始电阻全等，即R1R2R3R4R，所以V0。当应变片的电阻R1、R2、R3、R4变成RR1、RR2、RR3、RR4时，电桥的输出电压变为ERRV4321通过化简，上式则变为E4也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且，则上式又可写成KR43214EKV式中K为应变片灵敏系数，为应变量。上式表明，电桥的输出电压和四个轿臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。在电阻应变式称重传感器中，4个应变片分别贴在弹性梁的4个敏感部位，传感器受力作用后发生变形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值。再加之应变片阻值变化的绝对值相同，即或R3131或442因此，V4EK。若考虑RM，则电桥的输出电压变成ERMRV22EM令，则SUKR2SU称为传感器系数或传感器输出灵敏度。对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。如初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。3称重传感器的主要性能指标（1）传感器的输出灵敏度传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，单位为（MV/V）。在任一载荷下，传感器的输出电压所加载荷供桥电压输出灵敏度/额定载荷。（2）非线性传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系，由此而造成的误差称为传感器的非线性误差。（3）不重复性在同一环境条件下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值不尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。（4）零点不平衡输出在传感器不受任何载荷条件下，传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压，称为零点不平衡输出。3我最终选用电阻应变式桥式测量电路。鉴于要进行理论分析及比较，最终我决定用双刀三掷开关来进行应变片单桥、半桥及全桥的切换。2、放大电路放大电路用于对电桥电路产生的小电压信号进行放大，以达到方便测量的目的。本电子秤不再另配模数转换器及数码显示器，输出为模拟量，直接用电压表测量读数。电桥电路产生的电压为差模电压，为将此信号放大要选用差模放大电路。1、差分比例运放电路图3差分比例运算电路如图3所示，两个输入电压UI1和UI2各自通过电阻R1和R2分别加在集成运放的反相输入端和同相输入端。另外，从输出端通过反馈电阻RF接回到反相输入端。为了保证运放两个输入端对地的电阻平衡，同时为了避免降低共模抑制比，通常要求21R43但普通的运放很难达到效果很好。所以我没有采用此方案2、三运放数据放大器图4三运放数据放大器如图4所示为常用的三运放数据放大器原理图。电路中的三个运放都接成了比例运算电路的形式。电路包含两个放大级，A1、A2组成第一级，二者均为同相输入方式，因而输入电阻很高。由于电路结构对称，因此漂移可以互相抵消。第二级的A3为差分输入方式，将差分输入转换为单端输出。在本电路中，要求元件参数严格对称，即4。98765432RRR，在实际搭建电路时很难达到电阻参数的严格对称，所以此电路也不适合。3、集成仪表放大器AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源3V12V下提供满电源幅度的输出,AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程,以得到良好的用户灵活性。在无外接电阻的条件下,AD623被设置为单位增益外接电阻后,AD623可编程设置增益,其增益最高可达1000倍。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比ACCMRR而保持最小的误差,线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200HZ时仍保持恒定而受到抑制。虽然AD623在单电源方式进行优化设计,但当它工作于双电源256V时,仍能提供优良的性能。低功耗3V时15MW、宽电源电压范围、满电源幅度输出。其引脚排列如图5所示。图5AD623引脚图输入信号加到作为电压缓冲器的PNP晶体管上,并且提供一个共模信号到输入放大器,每个放大器接入一个精确的50K的反馈电阻,以保证增益可编程。差分输出为CGOVRKV10然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压。6脚的输出电压以5脚的电位为基准进行测量。基准端5脚的阻抗是100K,在需要电压/电流转换的应用中仅仅需要在5脚与6脚之间连接一只小电阻。VS和VS接双极性电源VS25V6V或单电源VS30V12V,VS0。靠近电源引脚处加电容去耦。去耦电容最好选用01F的瓷片电容和10F的钽电解电容。AD623的增益G由RG进行电阻编程,或更准确的说,由1脚和8脚之间的阻抗来决定。5最终我选则AD623作为差模电压的放大器件。四、总方案设计为能达到实验及测量所要求的目的，即既能进行单桥测量，又能进行半桥和全桥的测量，我认真的思索了切换电路的设计。最终我选用一个双刀三掷开关来达到简易切换的目的。最终的总电路图见图6。为使称重臂能