电子秤的工作原理

电子秤的工作原理出品人：林情、吴为超、林锦鑫、宋忠镇出品单位：10嵌入式2班什么是电子秤•电子秤，属于衡器的一种，是利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具。电子秤主要由承重系统（如秤盘、秤体）、传力转换系统（如杠杆传力系统、传感器）和示值系统（如刻度盘、电子显示仪表）3部分组成。几种常用的电子秤电子秤的工作原理以电子元件•电子秤的工作原理以电子元件：称重传感器，放大电路，AD转换电路，单片机电路，显示电路，键盘电路，通讯接口电路，稳压电源电路等电路组成。•工作流程说明：当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。称重传感器类型•称重传感器按转换方法分为：光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。•下面我们来详细介绍以电阻应变式作为称重传感器的电子秤。•电子秤，主要是由电桥电路及电阻应变式传感器组成,在现代测量技术中常常需要将非电量,利用传感器转变成电量，后再进行测量，电阻应变式传感器是一种利用金属电阻应变片，将应变转换为电阻变化的传感器，它一般分为金属丝式和箔式两类,这里分别介绍其结构和工作原理,其结构如图所示:电阻应变式传感器电阻应变式传感器原理•测量力时,可将电阻应变片粘贴在承受被测力的弹性元件上当力作用在弹性元件上时,它将产生应变,通过粘贴胶将此应变传递给电阻应变片,使应变片的电阻产生变化,此现象称为电阻应变效应因为弹性元件的应变与所承受的力的大小成比例,所以应用桥式测量电路测出电阻应变片的电阻变化值即可测出力的大小导体的电阻值可以用下式计算•当此应变片两端受拉或受压以后,它将发生变化,对上式进行微分,得通过上式可看出,电阻变化与应变片的应变是成比例的通过测量电阻的变化,就可测出应变,也就可以测出受力了接下来通过介绍非平衡电桥的工作原理了解怎样测量电阻的变化非平衡电桥的工作原理•在测量中常常会因为待测信号很小,所以用一般的测量仪表较难直接测量,因此常把它转换成电压变化后再用电测仪器进行测定,这正是利用电桥电路来进行这种变换的。•称重测量采用目前常用并且比较成熟的方法来实现称重传感器选用双孔梁式传感器如图1所示4片电阻应变片(图中1、2、3、4)粘贴在双孔梁的应变区，在称重时双孔梁在由被称物体产生的压力P和系统底盘对双孔梁的支持力N的作用下，产生平行四边形形变，由这4片应变片接成的惠斯通(Wheatstone)电桥在供桥电压的激励下随重量不同而输出不同的电压信号通过放大电路将电桥送来的微弱信号进行放大后送给A/D转换电路之后单片机对ADC的结果处理后显示或打印出来完成称重测量。双孔梁式传感器-电阻应变式ps:惠斯通电桥•科技名词定义•中文名称：惠斯通电桥英文名称：Wheatstonebridge•定义：测量电阻值的一种四臂电桥，被测电阻为一个臂，其余三个臂是已知标准电阻，其中至少有一个臂是可调的。应用学科：机械工程（一级学科）；电测量仪器仪表（二级学科）；电测量器具和设备（三级学科）•惠斯通电桥（又称单臂电桥）是一种可以精确测量电阻的仪器。图所示是一个通用的惠斯通电桥。电阻R1，R2，R3，R4叫做电桥的四个臂，G为检流计，用以检查它所在的支路有无电流。当G无电流通过时，称电桥达到平衡。平衡时，四个臂的阻值满足一个简单的关系，利用这一关系就可测量电阻。PS：称重传感器的基本知识•一、称重传感器的基本知识•1.定义：GB/T7551-1997《称重传感器》•考虑到使用地点的重力加速度(g)和空气浮力(f)的影响后，通过把其中一种被测量(质量)转换成另外一种被测量(输出)来测量质量的力传感器。•被测量(质量)称重传感器输出•2.组成•敏感元件+传感元件+测量电路•其中：敏感元件——电阻应变计；传感元件——弹性体；测量电路——惠斯通电桥•二、电阻应变计工作原理•以金属材料为转换元件的电阻应变计，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻——应变效应。•所谓应变效应是指金属导体(电阻丝)的电阻值随变形(伸长或缩短)而发生改变的一种物理现象。•1.受力前(F=0)电阻值•R=ρ*L/S(1)式中R——金属丝的电阻(Ω)；ρ——金属丝的电阻率(Ω*M)；L——金属丝的长度(m)；S——金属丝的横截面积(m2)(πD2/4)D——金属丝的直径(m)•2.受力后(F＞0)电阻变化值•⊿R=R*Kε(2)式中⊿R——电阻变化量；R——原始电阻值；K——应变计的灵敏系数；ε——轴向应变•结论：金属丝拉伸，电阻值增加；金属丝压缩，电阻值减小PS：称重传感器的基本知识•3.常用应变计的阻值(Ω)350；700；1000•三、称重传感器的工作原理•1.两个典型的力学模型•当F＞0时，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被压缩，阻值减小。•2.惠斯顿电桥•在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。•电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当Ui为直流时该电桥为直流电桥。电桥电路如上图所示，它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成。•1)直流电桥的电压输出•根据分压原理，从D-A-C半桥来看，从D经A到C的电压降为Ui，通过R1、R2的电流•I1=Ui/(R1+R2)(1)•R2上的电压降为I1R2，代入(1)得•UAC=Ui*R2/(R1+R2)(2)•同样，D-B-C半桥的电压降也是Ui，R3上的电压降为：PS：称重传感器的基本知识•UBC=Ui*R3/(R3+R4)(3)•则输出电压UO是UBC与UAC之间的差，即•R1R3-R2R4•UO=UBC-UAC=Ui(4)•(R1+R2)(R3+R4)•由(4)可知，当桥臂电阻满足如下条件时，即•R1R3=R2R4(5)•电桥的输出电压UO=0，电桥处于平衡状态。•为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡(置零)，这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。•2)按上述力学模型解释：•当F=0时，R1R3=R2R4；U0=0；•当F＞0时，R1、R3增加，R2、R4减小，U0＞0。•若欲得到与上述电信号相反的结果时，只需将A与C(或B与D)之间的电源正、负极互换即可。•3)当桥臂电阻的阻值发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化，当⊿RR时，其输出电压与电阻变化率⊿R/R(或应变ε)成线性关系。PS:灵敏度•我们在选择称重传感器时，传感器的说明书会有很多参数向我们说明这种传感器的性能指，其中的抗干扰的，受温度漂移影响的。还有精度的。其中有一个参数叫灵敏度，它一般是向如下这么标注的：灵敏度2±0.002(mv/v)这个灵敏度是什么意思呢？•这是传器的一个重要性能指标，当然其它指标也很重要，但在我们选择传感器要使用时，这个指标会直接影响到使用。其实它的意思是，传感器在受到额定的拉力(如果满量程是200KG的，它的额定拉力就是200KG)做用下，在激励电压(也叫供桥电压，输入电压)是1v的情况下，它的两个输出端会有2mv的压力变化。当然实际工作时激励电压会大于1v，一般为10v到12v。如果一个200KG的传感器，它的灵敏度是2±0.002(mv/v)，它的激励电压是10v，那么在200KG拉力作用下，输出端的压力变化就是2*10=20mv。我们在选择传感器的时候，往往是三个或四个同时并联使用的，必须要求每个传感器的灵敏度要相同才能同时使用。如果不相同的会使整个秤不准，把一个东西放在同一个秤的不同地方会显示不同的重量。如果在更换损坏的传感器时，也要找到灵敏度和量程相同的传感器，其它的指标可以忽略，只要这两项指标相同，就是不同厂家的传感器放在一起用也可以.谢谢观赏出品人：林情、吴为超、林锦鑫、宋忠镇出品单位：10嵌入式2班MakePresentationmuchmorefun