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1、传感器与测试技术课程设计荷重传感器及电子秤课程设计分校（站、点）： 年级、专业： 机械制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 2012、6 一， 设计简述随着现代化生产的发展，电子秤在许多商业活动中已成为不可缺少的计量工具。电子秤作为一个典型的自动检测系统，也可归纳为由三大环节所组成。如图 1所示一次仪表通常指的是传感器，它是由敏感元件，电路，机构等组成，是利用某些特殊材料对某些物理量具有一定的敏感，然后转换成电量（电压，电流） 。 通常来自一次仪表的电信号比较弱小，不足以驱动显示器。为此采用二次仪表对信号进行放大；来自一次仪表的电信号往往还夹带外部的干扰信号，必须把它去
2、除，一般二次仪表还包括滤波电路用以消除干扰。传感器的转换关系往往并不服从线性关系，所以有时还需要进行适当的线性补偿处理。故称二次仪表为测量与显示部件。二次仪表的输出信号可能是模拟量，也可能是数字量。三次仪表是采用了计算机技术，所以要求二次仪表的输出信号必须是数字信号。三次仪表将进一步对信号进行处理并形成控制量输出。作为规模较小的仪表系统，三次仪表主要是以中央处理器为核心的数字电路，组成智能化仪表。使整个测量系统的性能与功能大大提高。图 2所示的以单片机为核心部件组成三次仪表，它大大丰富了电子秤功能。各种各样形式的电子秤的仪表结构都是大同小异的，都必须利用荷重传感器来采集重量信号并变换成相应大小
3、的电信号。电子秤的二次仪表把来自荷重传感器的微弱电压信号进行放大，滤波。这不仅为了提高灵敏度，更重要的是与下一环节的电路进行正确匹配。目前大多数电子秤是数字显示方式，所以模拟信号还必须作模数转换。有了 A/D转换器的数码信号，就可以进行自动标度变换、自动超载报警、自动数字显示。还可以增加人机对话键盘、与外部设备的数据交换与通信、输出模拟或数字控制信号等功能。由此大大提高了性能。二， 设计过程1、荷重传感器电子称传感器的选用荷重传感器的形式有电阻式、电容式、压磁式等多种形式。电阻式传感器又分为金属丝（箔）式、半导体式，它们各有优缺点及使用范围。大多数电子秤的使用场合是极为普通的室内外的大气层环境
4、，所谓的温度条件是-10C55C 。选用金属箔式应变片传感器作为电子秤的荷重传感器是最广泛的应用。因为金属箔式应变片在这个温度范围内具有精度高、稳定性好、线性、转换电路简单，成本较低等优点。相对半导体应变片尽管也能适用并且也有不少优点，如灵敏度高，体积小，响应速度快等。但是对温度的敏感，以前一直是它的缺陷，虽然目前已经通过激光修补工艺解决了温度补偿问题，可是生产成本高成为广泛使用的阻碍。电容式荷重传感器也是一种可选对象，但是需要稳定的交流电源作为工作电源，技术要求高，电路复杂，适用于安装空间小，响应速度快的场合。压磁式荷重传感器特别适用于环境温度较高的场合，但是精度不高，仅适用于大吨位秤重。选
5、用荷重传感器的基本要求是：灵敏度高，函数关系呈线性，重复性好，长期稳定。应变片传感器在“传感器与测试技术”课程的学习中已经了解了应变效应。利用应变效应可以组成荷重传感器的论述并不多。如图 3所示，为三种常见的应变片荷重传感器。图 3 金属应变片荷重传感器图（a）为圆柱式荷重传感器，弹性元件为合金钢材料。图（b）为梁式荷重传感器，弹性元件为弹簧钢材料。图（c）为 S型剪切式荷重传感器弹性元件为铝合金材料。三种结构形式的荷重传感器均为压缩式受力，根据测重范围的需要，采用不同的弹性模量的材料。通常荷重传感器的测量范围与分辨率是互相制约的，测量范围越大，则分辨率越差。反之，测量范围越小，则分辨率越好。
6、测量桥路一个成品的金属箔式应变片传感器，通常在受应变的弹性元件表面按对称位置粘贴四个同质应变片，以便构成全臂电桥。如图 4所示，管式弹性体的贴片位置和测量电桥。全臂电桥的灵敏度最高，线性好，温度补偿性能也比较好。测量电桥的输出： （2-1）0ERy应变与荷重力的关系： （2-2）rhFl2其中，F 为荷重力，l 为管状体受力长度，r 为管状体半径，h 为管壁厚度，E 为杨氏模量，这是与弹性体材质有关。为了与不同称重范围相匹配，约定不同称重范围的最大应变量m 保持一致。同一规格的荷重传感器当然选用相同的弹性体材质，只是通过管状弹性体管壁厚度 h来匹配不同称重范围。另外，如（2-1）式，欲提高输出
7、信号，可以提高工作电压 E0。值得注意地是，过度提高工作电压 E0，会导致应变片电阻通过的电流过大而自身发热引起温度带来的误差。一般标称的应变片电阻为 120，约定的工作电压 E0为 6V或 12V。测量电桥的最大输出电压为 6mV或 12mV。根据不同的使用场合，电子秤的秤台上可以布置一个荷重传感器，也可以布置几个荷重传感器。低重位的小型电子秤一般只要布置一个荷重传感器（如商店 15Kg电子秤） ，而大吨位平台式电子秤考虑到受力强度和平衡的关系，通常需要由 4个荷重传感器来托起称重平台（如汽车地磅秤） 。参见图 5所示。图 5 荷重传感器的布置2、荷重传感器电子称调理电路的设计调理电路包括信
8、号放大、信号滤波、温度补偿、线性化处理、标度变换、A/D 和 D/A变换等。调理电路指的是完成来自传感器的信号幅值、标度、线性化、电量性质等的调整来满足系统各环节的要求。除了信号幅值和电量性质变换之外，其他均由三次仪表中的单片机来完成。电子秤系统所需的调理电路主要是放大器、滤波器和 A/D转换器。(一）放大器由于各种传感器的转换电信号比较微弱,需要将信号滤波,放大到 A/D转换器可以接受的范围.目前模拟放大器均采用运算放大器。不同的使用场合,运算放大器选用的要求也不同。主要可以分成：通用型,高精度型,高输入阻抗，高速型等。运算放大器的技术指标：开环增益，差模输入输出阻抗，输入失调电压和电流的温
9、度系数，共模抑制比，上升率，带宽。习惯选择：1若信号内阻较大时，应采用高输入阻抗的放大器，否则将会产生信号传递损失。大多数场合都要求高输入阻抗的放大器。2若信号电压很小时，就必须考虑低噪声，低温漂，高精度的放大器。1、通用放大器：A741 作为要求一般的场合，使用该运算放大器可以胜任。它具有失调量小，温漂小，功耗低，输入阻抗高共模抑制比 CMRR高等优点。电路引脚参见图 6。图 6 A741 通用运算放大器LMX24（X=1，2，3）单片四运放集成电路。特点：可以单电源双电源兼用（单电源：3V30V，双电源1.5V15V）,不需要外接补偿电路,且功耗低,四运放性能较一致等优点。根据使用体会,应
10、用方便,价格低,但精度不够理想。比较合适做比较器,电平转换器。电路引脚参见图 7。图 7 单片四运放 LMX3242.高精度集成运放:作为传感器信号的放大,尤其信号低到几十微伏的信号 A741,LMX24 肯定不能使用。则要求选用超低失调,超低漂移,超低噪声的运算放大器。OP07接线图与 A741 大致一样。主要技术指标:输入失调电压 85mV;失调电流 0.8nA,失调电压漂移=Vo：Dn-1=1 保留此位，再送 Dn-2=1进行 D/A比较；【2】 Vx0,则积分输出: )12(11 101xVRCTTxdtATQ积分周期：T=T1+T2 ，如果 RC很小,VB 足够大 。T2 很小,可以
11、不计。转换频率： )132()(121VRCxVxTfA理解： 【1】VA=V1-V2，在 T1时间内积分电压的累计是上下限电压的差。【2】因反向积分输入电压 VBVx，RC 很小，T2 非常小。图 15 V-F变换型 A/D转换器工作波形 (2)定电荷复原型 V/F转换器 基本结构:积分器,比较器,复位电路。其中复位电路包括:定时器,模拟电子开关,恒流源。开始时,S 断开,积分器仅对输入 Vx积分。积分输出 Vo1=Ek时,比较器负跳变,启动定时器产生脉宽为 Tk的负脉冲。这个负脉冲使电子开关闭合。此时,恒定电流也参与积分运算。 在脉宽为 Tk的负脉冲期间,由于恒电流为负且幅值大于被测电流,
12、故迫使积分输出作反向运算。 Tk 后电子开关断开,积分运算又进入第二周期。图 16 定电荷复原型 V-F变换型 A/D转换器框图(3)双积分 V-T型 A/D转换器顾名思义，这种 A/D转换器的一次转换周期需要进行两次积分运算。第一次积分：称定时积分。在约定的时间内对输入电压 Vx进行反向积分；Vx 越大，则积分输出幅值也大。图 17 两次积分运算第二次积分：称定量积分。对约定的基准电压 VB进行反向积分，这是继第一次对 Vx积分后作反向积分，则原积分输出幅值越大，则本次积分时间也长。第一次积分完成了对输入电压的幅值与极性的判断。第二次积分完成了输入电压转换为时间间隔：VT。工作原理 第一次积
13、分运算:积分器对输入电压进行积分:令输入电压的平均值:代入上式:在规定的时间内 t=T1,积分输出正比于输入电压的平均值。第二次积分运算:积分器对基准电压进行积分:若积分过零:由此,第二次积分所需的时间:显然,第二次积分所需的时间 T2与输入平均电压呈正比。如果转换器的时间长短是由计数器稳频计数来确定的,那么有:1001 )142(TXdtVRC)5(.10TXXt)162(101 RCTVX)172(1002 tBXdVTV202.)(t )182(0112 10BX BXtBVTRCtVTdRCQ)192(.,.12122 BXBXVNorVfNfTT【1】转换过程:预备阶段:在外部发出一
14、个启动信号，转换器通过控制逻辑电路完成如下工作：计数器复位;积分电容电荷释放;接通 K1输入通道。【2】采样阶段:t=t1，开始对输入电压进行定时积分，打开计数器闸门开始计数。积分时间 T1由计数器计满溢出为限。【3】比较阶段:断开 K1接通 K2或 K3的基准电压输入通道，要求积分运算朝反方向变化。【4】结束阶段:比较积分同时计数,直到积分输出为零,计数器所计的数 N2代表 T2的大小。工作波形：图 18 双积分 A/D转换器工作波形以型号为 MC14433的 3位半双积分 A/D转换器为例：设采样时间 T1内的计数脉冲数为 2000，基准电压选 2000mV。且有：上式表明计数脉冲 N2可
15、以直接表示以 mV为单位的模拟输入电压。双积分 A/D转换器的特点：【1】抗干扰能力强：通常工频干扰是环境最大的干扰源，并且会通过输入迭加到真信号作积分运算。令:工频交流干扰电压窜入输入端:其中:第一项为真实信号,第二项为伪信号,即干扰信号。通过采样定时积分:)()(2012 mVVNXXBXXV)20(.)(1)(00 TXdtVRCtV其中:第一项为真实信号的采样积分,第二项为伪信号的积分,要求通过积分运算消除掉。要满足条件:（n=1,2,3,4）推导结果说明:采样时间 T1若取工频的整倍数时可以完全消除干扰影响。【2】转换稳定性好：参见定量积分运算关系: B BtBVTxRCtVTxdRC12 10 0Q上式表明:经过两次运算,结果于积分常数 RC似乎无关。那么只要在短时间内积分电阻与积分电容保持稳定,对模数转换的精度不会带来影响。同样对时钟的稳定性要求也
