电子秤设计与制作(讲义)

学习情境二电子秤设计与制作一、基础知识学习（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0.1%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。2．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Max=n•d（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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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，如下表1-1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10000n≤100000中准确度商业衡器1000n≤10000普通准确度粗衡器100n≤1000表1-1电子秤等级分类（三）电子秤主要部件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50%~70%。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10-6~10-2，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2-1所示：图2-1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。电阻应变式称重传感器桥式测量电路如图2-2所示：2-2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：V= e R R R R R R÷øöçèæ+