我们经常会遇到去测量小质量物体的重量问题，特别是在我们的日常生活当中。还记得那些传统的杆秤虽然可以解决这样的一个问题，但是它不方便携带，而且效率也不高，显示很不直观而且测量精度低；话说机械式的弹簧秤也可以解决这一问题，但是它的惯性大，固有频率低、灵敏度也不高，测量精度也不高。随着现在的微计算机技术、集成电路技术、传感器技术的进步及更新，电子秤获得了迅猛的发展，它功能齐全、显示直观、准确度高、反应灵敏、使用方便等特点。为了解决小质量的物体的称重问题，如果能有一个体积小、重量轻、便于携带、可数字显示的电子秤的话，肯定会广受大家的欢迎。现在这种电子秤已经广泛运用到了市场中，那我们就说一下这种称重范围在05kg的袖珍电子秤的设计问题吧
一、方案设计
袖珍电子秤的结构原理是从传感器→放大器→A/D转换器→CPU→显示器。设计袖珍电子秤的主要任务是称重的测力传感器的选择。能实现测力的传感器种类很多,要实现称重及数显,关键是要把力(重力)信号转换成电信号来测量,其方法主要分为2类:一类是直接法,即利用压磁式传感器、压电式传感器、压阻式传感器直接将信号转换成电信号;另一类是间接法,即以弹性元件作为敏感器,将拉、压力转变为应变、位移或频率,再用应变传感器、位移传感器或频率传感器把应变、位移或频率转变为电量。综合比较各种传感器的情况,在此选用间接法的应变式力传感器。
二、传感器装置设计
应变式力传感器的工作原理：是将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上,当弹性元件受力产生变形时,应变片产生相应的应变,转化成电阻变化,从而引起测量电路的电压变化,通过测量输出电压的数值,再通过换算即可得到所测量物体的重量。由于袖珍电子秤要求体积小,称量范围不大,精度和角偶一致性高,传感器与显示器一体化等特点,故选用双孔悬臂平行梁应变式承重传感器。其特点是:精度高、易加工、结构简单紧凑、抗偏载能力强、固有频率高,其典型结构如图2所示。
图2双孔悬臂梁传感器结构示意图应变片选用由栅状金属泊粘贴在绝缘基片上构成的金属泊式应变片,电阻应变片感受的机械应变量一般为10-6~10-2mm,随之而产生的电阻变化率也大约在10-6~10-2数量级之间,这样小的电阻变化用一般的电阻测量仪表很难测出,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。桥式测量电路能够满足这一要求。
图3桥式测量电路在称重传感器中,R1,R2,R3,R44个应变片电阻组成的桥式测量电路如图3所示。Rm为温度补偿电阻,e为激励电压,V为输出电压。图3桥式测量电路若不考虑Rm,在应变片电阻变化之前,电桥输出电压为V=(R1R1+R2-R4R3+R4)e由于桥臂起始电阻全等,即R1=R2=R3=R4=R,所以V=0。当应变片电阻R1,R2,R3,R4变为R+ΔR1,R+ΔR2,R+ΔR3,R+ΔR4时,电桥的输出电压变为V=(R+ΔR1R+ΔR1+R+ΔR2-R+ΔR4R+ΔR3+R+ΔR4)e经推导、整理并忽略高次项可得V=e4(ΔR1R-ΔR2R+ΔR3R-ΔR4R)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4个桥臂应变片的灵敏系数k相同,且ΔRR=kε。则上式又可写成V=ek4(ε1-ε2+ε3-ε4)上式表明,电桥的输出电压和4个桥臂的应变片所感受的应变量的代数和成正比。这就是利用桥式电路测量应变量的工作原理。
在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,传感器受力作用后的变形情况如图4所示。
图4传感器受力作用后的变形情况在力的作用下,R1和R3被拉伸,阻值增大,ΔR1和ΔR3为正值,R2和R4被压缩,阻值减小,ΔR2和ΔR4为负值。若应变片阻值变化的绝对值相同,即ΔR1=ΔR3=+ΔR或ε1=ε3=+εΔR2=ΔR4=-ΔR或ε2=ε4=-ε因此V=ek4(ε1-ε2+ε3-ε4)=ek44ε=ekε图4传感器受力后变形示意图若考虑Rm,则电桥输出电压变为V=(R+ΔR2R-R-ΔR2R)(RR+2Rm)e=RR+2RmΔRRe=RR+2Rmkεe令Su=Ve,则Su=RR+2RmkεSu称为传感器系数或传感器输出灵敏度。
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