电子称电路的设计和分析

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。
电子秤的组成
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。
电子秤测量系统的结构框图
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理器的 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。
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 2. 称重传感器 3. 测量显示和数据输出的载荷测量装置
电子秤的组成
电子秤的组成
• 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。
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电子秤的组成
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。
A/D转换器（ADC）
• 在实际的测量和控制系统中检测到的是时 间、数值都连续变化的物理量，这种连续 变化的物理量称之为模拟量，与此对应的 电信号是模拟电信号。模拟量要输入到单 片机中进行处理，首先要经过模拟量到数 字量的转换，单片机才能接收、处理。实 现模/数转换的部件称A/D转换器或ADC。
低功耗、高速、高分辨率是新型的ADC的发展方向。
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
常用的各种城中传感器
• 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
电阻应变式
• 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，然后以适当的方式 组成电桥，将力（重量）转换成电信号的 转换元件。
电容式
• 电容式称重传感器是把被称物体的重量转 换为电容器容量变化的一种传感器，它以 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。由于电 容式传感器存在输出特性的非线性，寄生 电容、分布电容对灵敏度和称重精度的影 响，传感器连接电路比较复杂等问题，直 接影响到它的可靠性，所以限制了它的应 用。
电子称电路的设计和分析
主要内容
设计要求 仿真设计 软件设计 实物制作
设计步骤
任务分析
确定方案
仿真设计
实物制作
系统调试
软件设计
设计要求
• 设计一种小型、简便、精确度高的电子平 台秤，量程20Kg，分度值为20g，它用一个 显示窗口来显示所称物体的重量。 • 基本功能：置零、超重报警 • 可选功能：去皮、标定
电阻应变片
• 对于一段长为L，截面积为S，电阻率为ρ的导体，未 受力时电阻为 R = ρ ，在外力的作用下，电阻丝将 会被拉伸或压缩，导体的长度L、截面积S以及电阻 率ρ等均将发生变化，从而导致其电阻值发生变化， 这种现象称为“电阻应变效应”。 • 利用金属或半导体材料电阻丝的应变电阻效应，可 以制成测量试件表面应变的敏感元件。为在较小的 尺寸范围内感受应变，并产生较大的电阻变化，通 常把应变丝制成栅状的应变敏感元件，即电阻应变 片，通常由敏感栅、基底、盖片、引线和黏结剂等 组成。
压磁式
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，将被称重量的变化转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，承 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 输等工业部门的这种要求承受大吨位，并要求牢固可 靠；安全报警等测力或称重场合。
置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点 且在称重范围内，则可按[置零]键，显示零值并零点 指示灯亮。 去皮：在称重显示状态下，按[去皮]键，则显示 零值并去皮指示灯亮；在去皮状态下，拿掉皮重物时 按[去皮]键，可以清除皮重值。
• 标定功能：为保证仪器预定精度的可靠性和合法 性，仪器必须定期校准，为用户提供一种方便的自动 校准方式。
谐振式
• 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产生 频率变化现象而形成信号的一种传感器。 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。
电阻应变式传感器
• 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应 变转换为电阻的变化，实现电测非电量的 传感器。传感器由在不同的弹性敏感元件 上粘贴电阻应变片构成，当被测物理量作 用在弹性敏感元件上时，弹性敏感元件产 生变形，并使附着其上的电阻应变片一起 变形，电阻应变片再将变形转换为电阻值 的变化。应变式电阻传感器是目前在测量 力、力矩、压力、加速度、重量等参数中 应用最广泛的传感器之一。
• 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。在电阻应变式 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，传感器受力作用后发生变 形。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值 增大，R1、R3为正值，R2、R4被压缩， 阻值减小，R2、R4为负值，再加之应变 片阻值变化的绝对值相同，即：
电阻应变式称重传感器
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，利用它可以将测得的 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。
• 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 变式称重传感器的工作原理框图 如图所示:
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。
• 电阻应变式称重传感器的 桥式测量电路 如图所示:
• 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将不发生变 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。当应变片的 电阻R1、R2、R3、R4变成R+R1、R+R2、 R+R3、R+R4时，电桥的输出电压变为：
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。