电子秤设计与制作.docx

1、电子秤设计与制作学习情境二 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

2、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。

3、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

4、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

5、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、

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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、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n 100 000高准确度精密衡器10 000 n 100 000中准确度商业衡器1 000 n 10 000普通准确度粗衡器100 n 1 000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

13、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

14、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

15、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

16、，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 - 610 - 2，随之而产生的电阻变化率也大约在10 - 610 - 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

17、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+

18、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= K，则上式又可写成：V=1 - 2 + 3 - 4 ）式中K为应变片灵敏系数，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1 = 3 = +R2

19、 = R4= - R或2 = 4 = - 因此，V=4 = e K。若考虑 Rm，则电桥的输出电压变成：V= = K e令SU = ，则SU = K 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

20、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

21、。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/R2S1/R1 = S2/R2输入阻抗 R1、（R2）R1、（R2）R1R2 /（R1+R2）输出阻抗 R1+R2 R1R2 /（R1+R2）R1

22、R2 /（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

23、，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

24、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

25、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

26、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、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3040mV，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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、（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