用电阻应变式力传感器制作的数显电子秤

1、用用电阻应变式力传感器制作的数显电子秤电阻应变式力传感器制作的数显电子秤 摘要摘要 电阻应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性特性好等优点，且能 在恶劣环境下工作，在力、压力和重量测试中有非常广泛的应用，力传感器具有结构 简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。所以电阻应变式力传感器制作的 数显电子秤具有准确度高易于制作，简单实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特 点。 本文从数显电子秤的要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论了各 个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递 情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。数显电子秤根据

2、弹性体（弹性 元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元 件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小） ，再经 相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流） ，将电信号通过数码显示 器显示出来，从而完成了将外力变换为电信号的过程。 关键词关键词 称重传感器；电阻应变计；弹性体 abstractabstract the electric resistance contingency type spread feeling tool to have diagraph scope wide，accuracy gao，the erro

3、r margin be small with line characteristic good etc.advantage，and ability under the bad environment work，in the dint，pressure and the weight test have very extensive of application，the dint spread feeling tool to have structure simple，the physical volume be small，weight light，service life long etc.e

4、xcellent characteristics.so the electric resistance contingency type dint spread a feeling machine creation of number show electronics steelyard to have an accurate degree gao be easy to creation，simple practical，the cost be cheap，the physical volume be cleverly made and take convenience etc.charact

5、eristics. this text from number show the request of electronics steelyard analysis to commence，be divided into four part，analysis and discussion:the whole system each part of electric circuit principle，control strategy， realization method.detailed discussion deliver of various work condition and sig

6、nal circumstance of system，and got system part at dissimilarity work condition of work appearance.number show electronics steelyard according to flexibility body(flexibility component，sensitive beam) at outside the dint function descend a creation flexibility transform，make to glue to stick at him s

7、urface of electric resistance contingency slice(conversion component) also together with creation transform，electric resistance contingency after slice transform，it of resistivity will occurrence variety(enlarge or let up)， again through correspond of measure electric circuit this electric resistanc

8、e variety the conversion pass telecommunication number to figures display manifestation to come out for the telecommunication number(electric voltage or electric current)，thus completion will outside dint transformation is the process 4oftelecommunication number. keykey wordswords weigh to spread a

9、feeling machine；electric resistance contingency to account； an elastic body 目录目录 引言引言.1 1 系统要求系统要求.2 2 2 总体规划总体规划.3 3.1 要求.4 3.2 电阻应变式传感器.4 3.2.1 电阻应变式传感器的外形结构 .5 3.2.2 电阻应变式传感器的组成及工作原理 .5 3.2.3 电阻应变式传感器的测量电路 .7 3.3 差动放大电路.7 4 4 a/da/d 转换模块转换模块.9 4.1 a/d 转换的作用.9 4.2 a/d 器的选择.9 5 主要硬件工作原理及选用主要硬件工作原理及

10、选用.11 5.1 电阻应变片.11 5.2 弹性体.12 5.2.1 弹性元件的基本特性 .12 5.3 弹性体的选用.12 5.3.1 基本要求 .12 5.3.2 分类 .13 5.4 提高灵敏度的措施.15 5.5 应变式传感器的选用.16 5.5.1 结构、形式的选择 .16 5.5.2 量程的选择 .16 5.5.3 准确度的选择 .17 5.5.4 使用环境 .17 6 6 ledled 显示电路设计显示电路设计.18 6.1 led 显示器结构与原理.18 6.2 led 显示器与显示方式.18 7 7 注意事项注意事项.19 7.1 机械安装方面.19 7.2 电气连接方面.

11、20 8 系统方案总结系统方案总结.21 结束语结束语.22 参考文献参考文献.23 引言 称重技术自古以来就被人们所重视。公元前，人们为了对货物交换量进行估计， 起初采用木材或陶土制作的容器对交换货物进行计量。以后，又采用简单的秤来测定 质量。据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出 自于埃及。秤是最普遍，最普及的计量设备。21 世纪，电子产品变得越来越丰富，给 人们带来了很多很多的方便，其中电子秤成了人们生活中不可缺少的一部分。大大小 小的市场电子秤能够完成许多工作，为人们节省了时间，提高了工作效率。在超市里 的一台电子秤，它能很精确的称出商品的重量，还能去除皮

12、重，更主要的是，它其中 预存了超市里商品的单价，当称出商品的重量后，电子秤马上就能算出价格，不管几 种商品都能一一累加，最后列出清单，可以说非常的智能化，而且非常的精确。由此， 顾客在购物的时候非常的放心，商家的效益也提高了，所以有了电子秤，顾客买的放 心，商家也卖的开心了。 目前国际化的趋势是电子秤向小型化，模块化，集成化，智能化，其技术性能趋 向于速率高，准确度高，稳定性该，可靠性高等，其功能趋向是称重计量的控制信息 和非控制信息并重的智能化电子秤。多年来，人们一直期待测量准确、价格低廉的在 工业发动化、信息化的发展。以往称重传感器的灵敏度、准确度渐渐跟不上时代的发 展。所以称重行业急需一

13、种能够在称重过程中准确计量，具有极高的灵敏度，较强的 环境适应能力，以及比以往传感器更长的使用寿命。通过试验和创新电阻应变式力传 感器具有以上特点!利用电阻应变式力传感器制作的数显电子秤特性好等优点，且能在 恶劣环境下工作，在重量测试中有非展中起到巨大作用的电子秤投放市场。 传感器技术是现代科技的前沿技术，是制造业自动化和信息化的基础。随着工业 自常广泛的应用，易于制作，简单实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特点。所 以这种电子秤因为市场的需要具有很大的发展，上升和推广空间。 1 系统要求 电子秤的核心部件较为复杂，对工艺的要求很高。 （1）电阻应变片是称重传感器的核心器件，其敏感栅结构、基

14、底材料、灵敏系数 稳定性、机械滞后、蠕变和热输出等技术性能直接影响称重传感器的准确度和稳定性。 （2）为满足称重传感器小型化、微型化的要求，特别是电子秤用能耗小、发热低、 稳定性好的力传感器用大阻值应变计需要具有：结构简单、使用方便、准确度高、频 率响应快、稳定性好、工作寿命长、几乎不用维修等特点。 （3）灵敏系数是电阻应变计的重要参数，若是灵敏系数分散大，准确度低。灵敏 度系数 k 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形 状、尺寸大小无关，不同的材料的 k 值一般在 1.73.6 之间；其次 k 值是一个无因次 量。 （4）电子秤的分辨力为 1 克，在 2 千克的

15、量程范围内调试，其测量精度要达到 0.5%。 （5）数码显示管要具有显示清晰、性能稳定、使用寿命长、价格低廉。另外，电 子秤的传感器要选用稳定性能好、使用寿命长、准确度高、灵敏度高、价格低廉的元 件。 传感器选用 e350zaa 箔式电阻应变片，其常态阻值为 350o，它具有粘合情况好、 散热能力较强、输出功率较大、灵敏度高等。在工艺上可按需要制成任意形状，易于 大量生产，成本低廉，尤其在常温条件下，箔式应变片更具有很强的稳定性。 2 2 总体规划总体规划 对于电阻应变式力传感器制作的数显电子秤主要有四个方面:一、电路由测量电桥， 二、差动放大电路，三、a/d 转换电路，四、显示电路组成。从总

16、的方面来考虑，传 感器的使用应该尽量选用稳定性能高、使用寿命长、结构简单，但是又必须能使称重 准确。控制电路要根据选用的传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制系统 应简单实用，并且在称重时能够快速反应、准确计量。总体控制要考虑环境、所称重 物体对电路的影响，在确保计量准确的情况下能够提高称重效率。总体电路如图 2-1 所示： 图 2-1 总体电路图 3 3 设计内容及具体方案设计内容及具体方案 3.13.1 要求要求 1、电阻应变式传感器； 2、秤重范围为 2kg； 3、电路由测量电桥，差动放大电路，a/d 转换电路，显示电路组成； 4、工作原理，首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路

17、测出物质的重量信号， 以模拟信号的方式传送到 a/d 转换器。其次，由 a/d 转换电路把由差动放大器电路把 传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，然后送 a/d 转换电路中。再由 a/d 转换 电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数 据。具体方案如图 3-1 所示： 电阻应变 式传感器 输出信号 差动放大 电路放大 信号 a/d 转换 电路（双 积分） 显示电路 （led） 电子秤的原理框图如图 3-2 所示： 图 3-2 原理框图 3.23.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 图 3-1 具体方案图 称重传感 器输出信 号 放大a/d 转换cpu 显

18、示电路 （led） 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。 而电阻应变效应是指导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也发 生相应变化的现象。 电阻应变式传感器具有精度高，性能稳定，测量范围宽，可制成各种机械量传感 器；并且结构简单，体积小，重量轻。可在超低温、强振动、强磁场等恶劣环境下工 作等特点。 3.2.13.2.1 电阻应变式传感器的外形结构电阻应变式传感器的外形结构 （a）箔式压力 (b)柱式 (c) 悬臂梁式 (d) 桥式 (e)波纹管 图 3-3 各种应变式电阻传感器的外形图 3.3.2.2 电阻应变式传感器的组成及工作原理电阻应变式传

19、感器的组成及工作原理 测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片， 本设计中采用的是电阻丝应变片如图 3-4 所示：为获电阻应变式传感器是将被测量的 力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和得高电阻值， 电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层， 起保护作用。称重传感器图如图 3-5 所示：电阻应变片也会有误差，产生的因素很多， 所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原 因主要是：电阻丝温度系数引起的。电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起 的。对于因温度变化对桥接零点和

20、输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也 会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须 进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并 从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性 误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。 滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度 变化较大，所以称重传感器必需在规定的温度范围内使用。 图 3-4 金属电阻丝式应变片的结构图 图 3-5 称重传感器图 3.2.3 电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器

21、的测量电路 电阻应变片的电阻变化范围为 0.00050.1 欧姆。所以测量电路应当能精确测量 出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。桥式测量电路有 四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压 e，另一个对角线为输出电压 uo。其特点 是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用 灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化测量电桥如图 3-6 所示： u0 图 3-6 测量电桥图 它由箔式电阻应变片电阻 r1、r2、r3、r4 组成测量电桥，测量电桥的电源由稳压 电源 e 供给。物体的重量不同，电桥不平衡程度不同，指针式电表指示的数值也

22、不同。 滑动式线性可变电阻器 rp1 作为物体重量弹性应变的传感器，组成零调整电路，当载 荷为 0 时，调节 rp1 使数码显示屏显示零。 3.33.3 差动放大电路差动放大电路 原理：一个放大电路，即差动放大电路，主要的元件就是差动放大器。在许多需 要用 a/d 转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很 微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足 a/d 转换器对输 入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表仪器放大 器的选型很多，典型的差动放大器就是一种用途非常广泛的仪表放大器。它只需高精 度 lm358 和几只电阻器，即

23、可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控 制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动放大电路结构图如图 3- 7 所示： 图 3-7 差动放大电路结构图 推导过程： 图 3-5 4 4 a/da/d 转换模块转换模块 4.14.1 a/da/d 转换的作用转换的作用 作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。在选择 a/d 转 换时，先要确定 a/d 转换的位数，该设计运用的是双积分式 a/d 转换器 icl7107，a/d 转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉 及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精度

24、a/d 转换器以及输出电 路等。 4.24.2 a/da/d 器的选择器的选择 一个电子秤系统最重要的参数是内部分辨率、adc 动态范围、无噪声分辨率、更新 速率、系统增益和增益误差漂移。该系统必须设计成比率工作方式，所以它与电源电 压波动无关。 intersilicl7106 和 icl7107 是高表现，lowpower，31/2 个数字 a/d 转换器。被 包括在内的是七个片段破码器，展览驾驶员，叁考和一个时钟。icl7106 与一个液晶显 示器(lcd)一起设计到接口而且包括被多重发讯的基架驾驶；icl7107 将会直接地驾驶 发出两极管(引导)展览的一个器具大小光。icl7106 和

25、 icl7107 一起带来一个高的准确 性，多种变化和真实的经济组合。它以汽车为特色-零的对少于 10v，少于 1v/c 的 零漂流物，输入 10pa(最大)的偏见涌流、和少于一计数的翻转错误。真实的差别输入 和叁考在所有的系统是有用的，但是当测定装载细胞、紧张标准度量和其他的桥类型 转换器的时候给设计者一个不寻常的利益。最后，单一力量的真实经济供应操作 (icl7107)，使高的表现嵌板公尺能够与只有 10 无源的附加一起建造完全的。其引脚 如图 4-1 所示： 图 4-1 cl7107 引脚图 该电路为 cc7107，led 和 若干无源元件 组成的数字电 压表电路。该 电路采用标准 的

26、3.5 位显示 电路进行显示， 其中最高位可 以显示千位的“1”和显示负号。此外，由于该电路的两个输入端即 com 与 v+端的电位 差具有很高的稳定性，可以作为参考电压源。因此，可以通过分压的方法来扩大它的 量程。由于两个输入端最大承受电压为 200mv 因此要实现最大值为 2000mv 的显示可以 用以下分压形式 (本设计所采用的）如图 4-2 所示：利用 cc7107a/d 转换器组装成 3.5 位数字电压表。 图 4-2 3.5 位数字电压表的外接电路 通过上面的电路可以测量最大值为 2000mv 的电压 而在本设计中的采样电阻为 1 欧所以被测电压值即为被测电流值. 图 4-3.3.

27、5 位数字 a/d 转换原理图 5 主要硬件工作原理及选用主要硬件工作原理及选用 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外 力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形， 电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小） ，再经相应的测量电路把这一 电阻变化转换为电信号（电压或电流） ，从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少 的几个主要部分所以在设计完电路要对各种原件的特性进行了解和论证下面就 rp314 对电阻应变片、弹性体和检测电路逐一介绍： 5.15.1 电

28、阻应变片电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一 片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数 k。我们来介绍一下它的意义。设有一个金属 电阻丝，其长度为 l，横截面是半径为 r 的圆形，其面积记作 s，其电阻率记作 ，这 种材料的泊松系数是 。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为 r： r=l/s（） （5 1） 当他的两端受 f 力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长 l，其横截 面积则缩小，即它的截面圆半径减少 r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变 形后，电阻率也会有所改变，记作 。 对式（5-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻

29、值改变了多少。我们有： r=l/s+l/ssl/s2 （52） 用式（5-1）去除式（5-2）得到 r/r=/+l/ls/s （53） 另外，我们知道导线的横截面积 s=r2，则 s=2r*r，所以 s/s=2r/r （54） 从材料力学我们知道 r/r=-l/l （55） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。 是表示材料横向效应泊松系数。 把式（54） （55）代入（5-3） ，有 r/r=/+l/l+2l/l =（1+2（/）/（l/l） ）*l/l =k*l/l （5- 6） 其中 k=1+2+（/）/（l/l） (57) 式（5-6）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电

30、阻丝伸长率 （长度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数 k 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的 15 一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 k 值一般在 1.73.6 之 间；其次 k 值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中 l/l 称作为应变，记作 ，用它来表示弹性往往显得太大，很不 方便。 常常把它的百万分之一作为单位，记作 。这样，式（5-6）常写作： r/r=k (58) 5.25.2 弹性体弹性体 5.2.15.2.1 弹性元件的基本特性弹性元件的基本特性 1变形：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象。 2弹性：物体因受外力作用而产生

31、变形，外力去掉后又恢复原状的特性。 3弹性元件：具有弹性变形特性的物体。 4弹性变形：弹性元件受外力作用而产生的变形。 5弹性特性：作用在元件上的外力与相应变形（应变、位移或转角）之间的关系。 以托利多公司的 sb 系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。 设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。 肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应 力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值 增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达 式，而不再推导。=（3q（1+）/2eb）*（b（h2-h2）+bh2）

32、/（b（h3-h3）+bh3） （5-9） 其中：q-截面上的剪力；e-扬氏模量：泊松系数；b、b、h、h为梁的几 何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是 “平均”状态。 5.35.3 弹性体的选用弹性体的选用 弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成 相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电 量。 5.3.15.3.1 基本要求基本要求 （1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的 机械加工及热处理性能。 （2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小

33、等）。 （3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。 （4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。 5.3.25.3.2 分类分类 测力传感器常用的弹性敏感元件有柱式、悬臂梁式、环式和框式等，要根据实际 使用情况选取合适的敏感元件。本设计采用柱式如图 5-1 所示： 图 5-1 柱式敏感元件 应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥，其中差动全桥 可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，还可消除温度误差等共模干扰。在测 量中都用 4 片应变片组成差动全桥如图 5-2 所示，应变片粘贴位置的不同会影响测量 的灵敏度和非线性误差，必须合理选取应变片的粘贴位置来提高测量

34、精度。 图 5-2 差动全桥电路 选取应变片粘贴位置时，要把 4 片应变片中的两片粘贴在最大正应变处，另两片 放在负的最大应变处，这样可获得最大的灵敏度。当采用如图 5-1 所示的实心柱式弹 性敏感元件，分析在自由端受力时梁感受到的应变情况。在受力为 f 时，在圆柱体的 轴向感受到的应变为最大正应变，其值可由（5-1）得到。 （5-1） （5-1）中，x 为圆柱体感受到的轴向应变，设压缩为正，f 为施加在圆柱体上 的压力，e 为材料弹性模量，a 为圆柱体的截面积。而在圆柱体的环向感受到的应变为 最大负应变，其值可由（5-2）得到。 （5-2） （5-2）中， 为圆柱体感受到的环向应变，设压缩为

35、正， 为材料的泊松比。 由以上分析可知，圆柱体轴向就是最大正应变处，圆柱体的环向即为最大负应变处。 贴片时，在轴向贴两片应变片，在环向贴另两片应变片，可获得最大的灵敏度，贴片 方法如图 5-4 所示。把轴向贴的应变片 r2 和 r3 接到测量电桥中的相对桥臂上，把在 环向贴的应变片 r1 和 r4 接到测量电桥的另一相对桥臂上，组成差动全桥电路，可获 得最大的灵敏度，另外还可以减小非线性误差和温度误差等，采用的电桥结构如图 5-4 所示： 图 5-4 电桥结构图 非线性误差分析和改进措施 当施加作用力 f 时（压缩） ，感受环向应变的电阻 r1 和 r4 的阻值发生变化，式中 r0 为应变片的

36、初始电阻值，k 为应变片的灵敏系数。此时，感受轴向应变的电阻 r2 和 r3 也发生变化，如（5-3）所示。 （5-3） 当采用图 5-2 所示的全桥差动电路进行测量时，输出电压可由（5-4）得到 (5-4) 从（5-4）中可以看出，电桥输出电压与被测力并不是线性关系，想获得较大的线 性测量范围，就要减小 kf（1）的值。可采用两种方法，一是测量较小的力，二是 在满足使用要求的情况下，尽量选取泊松比大的材料。 另外，在实际测量中，被测力不可能正好沿着圆柱体的轴线作用，而总是与轴线 之间有微小的角度或偏心，使得弹性体除了受纵向力作用以外，还受到横向力和弯矩 的作用，带来非线性误差。为了消除横向力

37、的影响，可采用图 5-3 所示的承弯膜片结 构。 图 5-3 所采用的结构为在传感器刚性外壳上端面加一片极薄的膜片。由于膜片在 平面方向刚度很大，所以作用在膜片平面内的横向力就经过膜片传递到外壳或底座， 在垂直于平面方向的膜片刚度很小，所以沿柱体轴向的变形正比于被测力。这样，膜 片就承受了绝大部分横向力和弯曲，消除了对测量精度的影响。 图 5-3 5.45.4 提高灵敏度的措施提高灵敏度的措施 为提高应变传感器的测量灵敏度，可采用 8 片相同的应变片，其中 4 片沿着轴向 粘贴，另外 4 片沿着环向粘贴，如图 5-4 所示。 采用 8 片应变片组成应变式测力传感器，相比 4 片应变片组成的电桥

38、结构，可提 高灵敏度 1 倍左右，还可以提高传感器测量的线性特性。 由（5-4）可知，要想提高传感器的灵敏度，可以在满足使用要求的情况下减小横 截面积。但要考虑横截面积减小时，其抗弯能力减弱，对横向干扰的敏感程度增加。 为了解决这一矛盾，在测量小集中力时，可以采用空心圆筒或承弯膜片，因为与实心 圆柱体相比，空心圆筒在相同横截面积的情况下，横向刚度大，横向稳定性好。 另外，弹性圆柱体的高度对传感器的精度和动态特性都有影响，当高度与外径的 比值大于 1 时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和 接触条件无关，在实际应用中，一般采用圆柱体的高度为外径的 2 倍。 使用应变式传

39、感器测量力时，可以采用轮辐结构弹性元件来减小非线性误差，提 高灵敏度。 轮辐式测力传感器由轮圈、轮轱、轮辐条和应变片组成。如图 5-5 所示：轮辐条 成对且对称地连接轮圈和轮轱，当外力作用在轮轱的上端面或者下端面时，矩形轮辐 条就产生平行四边形变形，形成与外力成正比的切应变。8 片应变片与辐条水平中心成 45角，分别粘贴在 4 根辐条的正反两面，并接成差动全桥测量电路，当被测力作用 在轮轱端面上时。沿辐条对角线缩短方向的应变片受压，电阻值减小，沿辐条对角线 伸长方向的应变片受拉，电阻值增加，并且电桥的输出电压与被测力之间具有良好的 线性特性。且由于是按照剪切力作用原理设计的，力作用点位置的精度

40、对传感器测量 精影响不大。轮辐和轮圈的刚度很大，因此过载能力很强，线性测量范围比较宽。 图 5-5 轮辐式测力传感器 5.55.5 应变式传感器的选用应变式传感器的选用 在电子衡器中，选用何种称重传感器，要全面衡量。下面就称重传感器的结构形 式、量程，准确度等级的选择上讲述一般要考虑的几个方面。 5.5.1 结构、形式的选择结构、形式的选择 选用何种结构形式的称重传感器，主要看衡器的结构和使用的环境条件。如要制 作低外形衡器，一般应选用悬臂梁式和轮幅式传感器，若对外形高度要求不严，则可 采用柱式传感器。此外，衡器使用的环境若很潮湿，有很多粉尘，则应选择密封形式 较好的；若在有爆炸危险的场合，则

41、应选用本质安全型传感器；若在高架称重系统中， 则应考虑安全及过载保护；若在高温环境下使用，则应选用有水冷却护套的称重传感 器；若在高寒地区使用，则应考虑采用有加温装置的传感器。在形式选择中，有一个 要考虑的因素是，维修的方便与否及其所需费用，即一旦称重系统出了毛病，能否很 顺利、很迅速的获得维修器件。若不能做到就说明形式选择不够合适。 5.5.2 量程的选择量程的选择 称重系统的称量值越接近传感器的额定容量，则其称量准确度就越高，但在实际 使用时，由于存在秤体自重、皮重及振动、冲击、偏载等，因而不同称量系统选用传 感器的量限的原则有很大差别。作为一般规则，可有：*单传感器静态称重系统：固定 负

42、荷（秤台、容器等）+变动负荷（需称量的载荷）（所选用的传感器的额定载荷 x70%*多传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+变动负荷（需称量的载荷） 所选用的传感器的额定载荷 x 所配传感器的个数 x70%其中 70%的系数即是考虑振动、 冲击、偏载等因素而加的。 需要说明的是：首先，选择传感器的额定容量要尽量符合生产厂家的标准产品系 列中的值，否则，选用了非标准产品，不但价格贵，而且损坏后难以代换。其次，再 同一称重系统中，不允许选用额定容量不同的传感器，否则，该系统无法正常工作。 再者，所谓变动负荷（需称量的载荷）是指加于传感器的真实载荷，若从秤台到传感 器之间的力值传递过程中，有倍

43、乘和衰减的机构（如杠杆系统） 、则应考虑其影响。 5.5.3 准确度的选择准确度的选择 称重传感器的准确度等级包括传感器的非线性、蠕变、重复性、滞后、灵敏度 等技术指标。在选用的时候不应该盲目追求高等级的传感器，应该考虑电子衡的准 确度等级和成本。一般情况下，选用传感器的总精度为非线性、不重复性和滞后三 项指标的之和的均方根值略高于秤的精度。 5.5.4 使用环境使用环境 称重传感器实际上是一种将质量信号转换成可测量的电信号输出装置。用传感 器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对于正确选用传感器至关重要，它 关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安 全性。

44、一般情况下，高温环境对传感器造成涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应 力发生结构变化等问题；粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响；在腐蚀性较高的环 境下会造成传感器弹性体受损或产生短路现象；电磁场对传感器输出会产生干扰。 相应的环境因素下我们必须选择对应的称重传感器才能满足必要的称重要求。 6 6 ledled 显示电路设计显示电路设计 6.16.1 ledled 显示器结构与原理显示器结构与原理 led 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的 是七段 led。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极 led 显示块的发光二极管阴极 共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时

45、，发光二极管点亮；共阳极 led 显示块的 发光二极管阳极并接。 6.26.2 ledled 显示器与显示方式显示器与显示方式 在单片机应用系统中使用 led 显示块构成 n 位 led 显示器。n 位 led 显示器有 n 根 位选线和 8*n 根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选 线控制字符选择，位选线控制显示位的亮，暗。led 显示器有静态显示与动态显示两种 方式。我们使用的为动态显示 led 动态显示方式。在多位 led 显示时，为了简化电路， 降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个 8 位 i/o 口控制，而共阴极点或共 阳极点分别由响应的 i/o 口

46、线控制。 7 7 注意事项注意事项 电阻应变式称重传感器本身是一种坚固、耐用、可靠的机电产品。但为了保证 测试精度，我们仍有许多在使用中要注意的问题，下面列出一些基本要求。 7.17.1 机械安装方面机械安装方面 称重传感器要轻拿轻放，尤其是由合金铝制作弹性体的小容量传感器，任何冲 击、跌落，对其计量性能均可能造成极大损害。对于大容量的传感器，一般来说， 他具有较大的自重，故而要求在搬运、安装时，尽可能使用适当的起吊设备（如手 拉葫芦、电动葫芦等。） 安装传感器的底座安装面应平整、清洁，无任何油膜，胶膜等存在。安装底座 本身应有足够的强度和刚性，一般要其高于传感器本身的强度和刚度。 水平调整：

47、水平调整有两方面内容。一是单只传感器安装底座的底座平面要用 水平仪调整水平，另一方面是指多个传感器的安装底座的安装面要尽量调整到一个 水平面上（用水准仪），尤其是传感器数多于三个的称重系统中，更要注意这一点， 这样做的目的是为了使各传感器所承受的负荷基本一致。 每种称重传感器的加载方向都是确定的，而我们使用时，一定要在此方向上加 载负荷。横向力、附加的弯矩、扭矩力应尽量避免。尽量采用有自动定位（复位） 作用的结构配件，如球形轴承、关节轴承、定位紧固器等。他们可以防止某些横向 力作用在传感器上。要说明的是：有些横向力并不是机械安装引起的，如热膨胀引 起的横向力，风引起的横向力，及某些容器类衡器上

48、的搅拌器的振动引起的横向力 既不是机械安装引起的。 某些衡器上有些必须接到秤体上的附件（如容器秤的输料管道等），我们应让 他们在传感器加载主轴的方向上尽量柔软一些，以防他们“吃掉”传感器的真实 负荷合而引起误差。 称重传感器周围应尽量设置一些 “挡板”，甚至用薄金属板把传感器罩起来。 这样可防止杂物玷污传感器及某些可动部分而这种 “玷污”往往会使可动部分运 动不爽，而影响称重精度。系统有无运动不爽现象，可以用以下方法判别。即在秤 台上加或减大约千分之一额定负荷看看称重显示仪是否反映，有反映，说明可动部 分未受“玷污”。 称重传感器虽然有一定的过载能力，但在称重系统安装过程中，仍应防止传感 器的

49、超载。要注意的是，即使是短时间的超载，也可能会造成传感器永久损坏。在 安装过程中，若确有必要，可先用一个和传感器等高度的垫块代替传感器，到最后， 再把传感器换上。在正常工作时，传感器一般均应设置过载保护的机械结构件。若 用螺杆固定传感器，要求有一定的坚固力矩，而且螺杆应有一定的旋入螺纹深度。 一般而言，固定螺杆因采用高强度螺杆。传感器应采用铰合铜线（截面积约 50mm2）形成电气旁路，以保护它们免受电焊电流或雷击造成的危害。 传感器使用中，必须避免强烈的热辐射，尤其是单侧的强烈热辐射。 7.27.2 电气连接方面电气连接方面 传感器的信号电缆，不和强电电缆线或控制线并行布置（例如不要把传感器信

50、 号线和强电电源线及控制线置于统一管道内）。若它们必须并行布置，那么，它们 之间的距离应保持在 50cm 以上，并把信号线用金属管套起来。 不管在何种情况下，电源线和控制线均应绞合起来，和程度50 转/米，若传 感器信号线需要延长，则应采用特制的密封电缆接线盒。若不用此种接线盒，而采 用电缆与电缆直接对接（锡焊端头），则应对密封防潮特别予以注意，接好后应检 验绝缘电阻，且要保证很高的测量精度，应考虑采用带有中继放大器的电缆补偿电 路。 所有通向显示电路或从电路引出的导线，均应采用屏蔽电缆。屏蔽线的联接及 接地点应合理。 注意：传感器本身是 4 线制，但在接线盒换成 6 线制接法。 传感器输出信

51、号读出电路不应和能产生强烈干扰的设备（如可控硅，接触器等） 及有可观热量产生的设备放在同一箱体中，若不能保证这一点，则应考虑在它们之 间设置障板隔离之并在箱体内安置风扇。 用以测量传感器输出信号的电子线路，应尽可能配置独立的供电变压器，而不 要和接触器等设备公用同一主电源电阻的取值范围应注意：阻值大小，所需的驱动 电流太大，输出零点飘逸明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高抗外界 的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。应变元件的工作原理基于 导体和半导体的 “应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值 将发生变化。 箔式应变片的敏感栅是用厚度为 0.003-0.

52、01mm 的金属箔经光刻、腐蚀等工艺 制成的。优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，能承受较大电流和较高电压， 因而输出灵敏度高，并可制成各种需要的形状，所以选用这种传感器。 8 系统方案总结系统方案总结 工作原理数显电子秤电路原理如 图 8-1 所示，其主要部分为电阻应变式传感器 r1、r2、r3、r4 及 ic2、ic3 组成的测量放大电路，和 ic1 及外围元件组成的数 显面板表。传感器 r1 采用 e350-zaa 箔式电阻应变片，其常态阻值为 350 欧姆。 测量电路将产生的电阻应变量转换成电压信号输出。ic2、ic3 将经转换后的弱电 压信号进行放大，作为 a/d 转换器的模拟电压输入。 ic4 提供 1.2v 基准电压，它 同时经 r5、r6 及 rp2 分压后作为 a/d 转换器的基准电压。 3-1/2 位 a/d 转换器 icl7107 的参考电压输入正端，由 rp2 中间触头引入，负端则由 rp3 的中间触头 引入。两端参考电压可对传感器非线性误差进行适量