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：
载荷P应变
电阻变化
R输出电压
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=
由于桥臂的起始电阻全等，即R1=R2=R3=R4=R，所以V=0。
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：
V=
通过化简，上式则变为：
V=
也就是说，电桥输出电压的变化与各臂电阻变化率的代数和成正比。
如果四个桥臂应变片的灵敏系数相同，且
=Kε，则上式又可写成：
V=
ε1-ε2+ε3-ε4）
式中K为应变片灵敏系数，ε为应变量。
上式表明，电桥的输出电压和四个轿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
△R1=△R3=+△R或ε1=ε3=+ε
△R2=△R4=-△R或ε2=ε4=-ε
因此，V=
×4ε=eKε。
若考虑Rm，则电桥的输出电压变成：
V=
=
=
Kεe
令SU=
，则
SU=
Kε
SU称为传感器系数或传感器输出灵敏度。
对于一个高精度的应变传感器来说，仅仅靠4个应变片组成桥式测量电路还是远远不够的。
由于弹性梁材料金相组织的不均匀性及热处理工艺、应变片性能及粘贴工艺、温度变化等因素的影响，传感器势必产生一定的误差。
为了减少传感器随温度变化产生的误差，提高其精度和稳定性，需要在桥路两端和桥臂中串入一些补偿元件。
如：
初始不平衡值的补偿、零载输出温度补偿、输出灵敏度温度补偿等。
3．称重传感器的主要性能指标：
（1）传感器的输出灵敏度
传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，单位为（mV/V）。
在任一载荷下，传感器的输出电压=所加载荷×供桥电压×输出灵敏度/额定载荷。
（2）非线性
传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系，由此而造成的误差称为传感器的非线性误差。
（3）不重复性
在同一环境条件下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值不尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。
（4）零点不平衡输出
在传感器不受任何载荷条件下，传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压，称为零点不平衡输出。
4、称重传感器的组合方式
在电子衡器中采用多个传感器时，传感器之间以及它们和称重显示器的连接方式，即为称重传感器的组合使用方式。
将电子衡器中各传感器桥路组合起来合理使用的方法，通常有串联工作方式、全并联工作方式、串并联混合工作方式三种。
串联工作方式：
各个传感器使用独立电源单独供桥，输出端串联连接的方式。
全并联式工作方式：
各个传感器的输入端并联，使用一个公共电源供桥，输出也以并联的方式工作。
串并联混合工作方式：
通常各个传感器使用独立的供桥电源，但输出并联连接。
三种工作方式的比较见表2-4：
类型
串联
全并联
串并联
电
路
图
工作条件
S1U1=S2U2
S1U1/R1=S2U2/R2
S1/R1=S2/R2
输入阻抗
R1、（R2）
R1、（R2）
R1R2/（R1+R2）
输出阻抗
R1+R2
R1R2/（R1+R2）
R1R2/（R1+R2）
抗干扰能力
差
较强
强
表
2-4传感器三种组合工作方式的比较
串联工作方式，在某些情况下，尤其是配接的称重显示器分辨率比较低时，会得到较精确的称重结果。
其缺点是串联相接后，要直流供电的情况下，每个传感器需要相互独立的供桥稳压电源，否则将破坏电桥电路的原有关系，增加了设备的复杂性和提高了成本。
交流供电时，对称重准确度要求较高的电子衡器来说，其电源变压器的次级绕组需完全相同，这在实际制作时比较困难。
再者，串联后增大了传感器的输出阻抗，容易带来干扰。
因此，目前已很少采用。
在称重显示器具有较高的灵敏度或高的分辨率的条件下，采用并联法较好，国际上通常采用并联方式。
因为它只要一个供桥电源，系统简单、经济。
只是它要求每个传感器输出阻抗的平均偏差要小，传感器系数的公差也不能太大，否则，当几个传感器受力不均匀时，输出电压的平均值将产生误差。
为解决这个问题，通常采用的方法是在每个传感器的两输出端与配接的称重显示器之间，接入两个隔离电阻。
由于传感器的内阻是输出信号的函数，串入隔离电阻能降低电阻变化对输出的影响。
每个传感器的两隔离电阻总阻值要相等，这两个电阻本身也要相等，公差要小，这样能减小因传感器输出阻抗不等或传感器系数不一致对传感器总输出的影响。
5、称重传感器的选择
传感器种类繁多，分类方式也千差万别，它们都有各自的特点，但在设计电子秤时，选择一种合适的传感器非常重要，传感器的性能在很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。
称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑。
（1）要考虑传感器所处的实际工作环境情况
传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的，它关系到传感器能否正常的工作，关系到传感器的安全和使用寿命，乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性。
（2）对传感器数量和量程的选择
传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。
一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体，如电子吊秤，就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。
传感器量程的选择是依据秤的最大秤量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定传感器的量程。
一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感的载荷，其称量的准确度就越高，但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷的存在，因此在选用传感器量程的时候，要考虑诸如多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。
（3）传感器准确度等级的选择
传感器的准确度等级概括了传感器的非线性、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。
称重传感器已按准确度等级划分，且已考虑了0.7倍误差因子，非自动衡器称重传感器的准确度等级要选择与电子秤相对应的准确度等级。
称重传感器按综合性能分为A、B、C、D四个准确度等级，分别对应于衡器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个准确度等级。
5、数字式称重传感器
目前，我国大量使用和生产的多是传统的模拟式传感器，模拟信号的输出较小，以生产量最大的、采用电阻应变原理和称重传感器为例，一般最大输出为30~40mV，其信号易受射频干扰，电缆传输距离也短，通常在10m以内。
在数字化技术广泛应用的今天，为解决其远距离传输和与数字技术、与计算机方便结合的问题，数字式称重传感器将得到了很大的发展。
目前，同样是电阻应变式的数字化传感器，其输出信号可达4V，是模拟式传感器的100倍。
强信号电缆传输距离可在150m，附加电源后则可超过600m。
下面对数字式传感器的原理、优缺点等几个方面作些介绍。
（1）工作原理：
数字式传感器将传感器电桥电路输出的模拟电压信号放大、滤波、经A/D转换后送入微处理芯片，利用芯片中存入的软件对传感器进行常规的补偿和调整，同时还进行一些非线性、滞后和蠕变等补偿，最后，通过RS-485通讯方式传送给仪表或计算机。
（2）数字式应变传感器的优缺特点
采用数字化技术，模拟传感器采用的模拟方式调整传感器输出灵敏度、传感器零点输出、传感器阻抗等，现在都由CPU处理完成，数字化处理的准确度非常高，方便快捷。
在传统传感器生产过程中，首先对传感器输出灵敏度温度特性和零点温度特性进行补偿。
随后对传感器的输出灵敏度、零点输出及阻抗进行调整，这样会破坏原已补偿好的传感器温度特性。
而采用数字化技术后，传感器的输出灵敏度及零点输出都由CPU数据处理完成，不会对原有的温度补偿性能有任何改变，且数字传感器阻抗是没有要求的，经数字化处理后的传感器的一致性是非常好的，精度可达万分之一。
由于数字传感器的输出是数字信号，所以抗干扰能力强，传输距离远，没有模拟传感器的连接误差，更没有线路阻抗的温度变化造成的计量误差。
A/D转换器（ADC）
在实际的测量和控制系统中检测到的常是时间、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。
随着大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工程领域的广泛应用，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路不断产生。
目前世界上有多种类型的ADC，有传统的积分型、并行、逐次逼近型ADC，压频变换型ADC，也有近年来发展起来的△－∑型和流水线型。
多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体要求。
低功耗、高速、高分辨率是新型的ADC的发展方向。
1.A/D转换器的工作原理及分类
A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。
A/D转换器种类较多，从原理上可分为四种：
双积分式A/D转换器，逐次逼近式A/D转换器、并行A/D转换器、计数器式A/D转换器及△－∑型A/D转换器。
在电子秤的设计中用的比较多的是双积分式A/D转换器和△－∑型A/D转换器。
下面对双积分式A/D转换器和△－∑型A/D转换器作简单分析。
（1）双积分式A/D转换器原理
双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。
如图2-2所示是电子秤中常用的双积分式A/D转换电路，它由积分器、比较器、模拟电子开关，积分电阻、积分电容、自动回零电阻、电容组成。
其中VG是模拟地，VFR是基准电压（相对于VG为负值），VX是检测电压。
图2-2双积分A/D转换电路
A/D转换是在单片机和开关逻辑控制电路的控制下，有条不紊地进行的，全部过程可分三个阶段：
1）正积分：
也称采样阶段。
在这个阶段，通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对检测电压VX积分。
积分器的输出电压随时间线性地增加。
正向积分时间由单片机控制，定值时间为
，在
结束时积分器的输出电压为:
2）反积分：
也称计数阶段。
在这个阶段，通过单片机对开关逻辑控制电路的控制对基准电压VFR积分。
经过T2时间后回到VG,积分输出电压为:
因此有：
化简得：
，由此可以看出
的大小取决于输入待测电压
的大小。
3）自动回零:
也称复位阶段,在该阶段,因反积分使比较器输出由高电平变成低电平,致使逻辑控制电路动作,使U1A导通,使得积分电容上的电荷得以充分释放,输出电压降到零（
）。
但运算放大器由于零漂和失调电压的影响，使得输出并不一定等于“0”电平（
），在单片机控制下U1B导通，输出电平通过回零电阻R3和回零度电容
反馈到同相输入端，使输出端自动调整到“0”电平（
），经过一定时间
（由软件设定）后，电容
上的电荷（有可能正，也有可能负
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