电子秤的设计
一、实验类型
设计性实验
二、实验目的和要求
1．了解电子秤的工作原理。
2．选择一种传感器，设计一种电子秤测量系统。
3．对测量系统进行标定。
4．将该测量系统实际应用于测量，作性能分析。、
三、实验条件
利用实验室现有条件：实验台、各种传感器、各种传感器模块以及其它器件。
四、实验方案设计
1、可用于电子秤设计的传感器
可用于电子称设计的传感器有应变式传感器、差动变压器、电容式传感器、压阻式传感器等。
1.1应变式传感器
工作原理：电阻应变片原理基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械性变（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。
1.2 差动变压器
差动变压器式传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计，用来测量压力或压差。
图2-1所示为微压力传送器结构示意图。在无压力作用时，磨合处于开始状态，固连于磨合中心的衔铁位于差动变压器的中部，输出电压为零。当被测压力经接头输入膜盒后，推动衔铁移动，从而使差动变压器输出正比于被测压力的电压。这种微压力传感器可测（-4到6）*10^4Pa的压力。
1.3 电容式传感器
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理：
εS ε0⋅εr ⋅S C = （3-1） =d d
式中，S 为极板面积，d 为极板间距离，ε0真空介电常数，εr 介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S 、d 或εr 发生变化时，电容量C 随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
图 1.3
变极距型电容传感器。其中A 为可动极板，一般称为动片，B 为固定极板。当应变排因被测量（压力）变化引起移动时，就改变了两极板距离d ，从而使电容量变化。根据这种关系制成测量压力的传感器。
2 应变式传感器制作电子称
1电阻应变式传感器的测量电路
由于室温的
不确定性和机
械间的不确定
因素，应变片可
能存在零点漂
移，这就需要进
行温度补偿，我
采用全桥接法，
通过调节两个
桥臂电阻的大小，达到温度补偿的效果。基于前几周刚做完传感器实验，故模仿其中的应变式传感器单臂电桥所接全臂电桥实验接线图如图。
图 2 全桥称重传感器
电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1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。 在加上Rp1，就可以调节零点漂移，达到温度补偿的效果，实验室温度大体恒定，调好后一季的时间内可以保持不变。
它由箔式电阻应变片电阻R 1、R 2、R 3、R 4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不同。滑动式线性可变电阻器R P1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R P1使数码显示屏显示零。但在调好后，在称重时不能再改变它，以免产生误差。
2. 差动放大电路
物体质量信号产生后，要求用一个放大电路，即差动放大电路。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，为保证放大倍数足够，我采用双放大模式，即前后分别对信号进行放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。我选用LM324四运放，连接组成两级差动放大电路，初级放大电路如图3
V V i 2推导过程：I=i 1 R 7V o=(R8+R7+R8)I =(1+2R 8)Vi ， R 7
2R 8 R 7则Avf=1+
要实现对物体质量的测量，必须有测量电路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。 具体方案如下：
四、实验内容与操作步
1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2．差动放大器调零。从实验台接入±15V 电源，检查无误后，合上实验台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档）。将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V 。关闭实验台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）
3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。
4．加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。
5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完，计下数显表值
输出（mv ）
输入（g ） 第一循环 第二循环 第三循环
正行程 反行程 正行程 反行程 正行程 反行程
0 0 0 0 0 0 0 20 20.1 20 20 20.1 20 21 20.2 40 40 40 40 40 40 42 40.33333 60 60 60 60 62 60 60 60.33333 80 80 80 80.1 80 81 80 80.18333 100 100 100 102 100 101 100 100.5 120 120 123 122 120 119 120 120.6667 140 141 140 140 140 140 141 140.3333 160 162 161 160 160 160 162 160.8333 180 180 180 180 180 180 180 180 200 195 200 200 203 200 204 202.3333
电子秤的设计
一、实验类型
设计性实验
二、实验目的和要求
1．了解电子秤的工作原理。
2．选择一种传感器，设计一种电子秤测量系统。
3．对测量系统进行标定。
4．将该测量系统实际应用于测量，作性能分析。、
三、实验条件
利用实验室现有条件：实验台、各种传感器、各种传感器模块以及其它器件。
四、实验方案设计
1、可用于电子秤设计的传感器
可用于电子称设计的传感器有应变式传感器、差动变压器、电容式传感器、压阻式传感器等。
1.1应变式传感器
工作原理：电阻应变片原理基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械性变（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。
1.2 差动变压器
差动变压器式传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计，用来测量压力或压差。
图2-1所示为微压力传送器结构示意图。在无压力作用时，磨合处于开始状态，固连于磨合中心的衔铁位于差动变压器的中部，输出电压为零。当被测压力经接头输入膜盒后，推动衔铁移动，从而使差动变压器输出正比于被测压力的电压。这种微压力传感器可测（-4到6）*10^4Pa的压力。
1.3 电容式传感器
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理：
εS ε0⋅εr ⋅S C = （3-1） =d d
式中，S 为极板面积，d 为极板间距离，ε0真空介电常数，εr 介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S 、d 或εr 发生变化时，电容量C 随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
图 1.3
变极距型电容传感器。其中A 为可动极板，一般称为动片，B 为固定极板。当应变排因被测量（压力）变化引起移动时，就改变了两极板距离d ，从而使电容量变化。根据这种关系制成测量压力的传感器。
2 应变式传感器制作电子称
1电阻应变式传感器的测量电路
由于室温的
不确定性和机
械间的不确定
因素，应变片可
能存在零点漂
移，这就需要进
行温度补偿，我
采用全桥接法，
通过调节两个
桥臂电阻的大小，达到温度补偿的效果。基于前几周刚做完传感器实验，故模仿其中的应变式传感器单臂电桥所接全臂电桥实验接线图如图。
图 2 全桥称重传感器
电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1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。 在加上Rp1，就可以调节零点漂移，达到温度补偿的效果，实验室温度大体恒定，调好后一季的时间内可以保持不变。
它由箔式电阻应变片电阻R 1、R 2、R 3、R 4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不同。滑动式线性可变电阻器R P1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R P1使数码显示屏显示零。但在调好后，在称重时不能再改变它，以免产生误差。
2. 差动放大电路
物体质量信号产生后，要求用一个放大电路，即差动放大电路。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，为保证放大倍数足够，我采用双放大模式，即前后分别对信号进行放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。我选用LM324四运放，连接组成两级差动放大电路，初级放大电路如图3
V V i 2推导过程：I=i 1 R 7V o=(R8+R7+R8)I =(1+2R 8)Vi ， R 7
2R 8 R 7则Avf=1+
要实现对物体质量的测量，必须有测量电路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。 具体方案如下：
四、实验内容与操作步
1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2．差动放大器调零。从实验台接入±15V 电源，检查无误后，合上实验台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档）。将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V 。关闭实验台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）
3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。
4．加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。
5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完，计下数显表值
输出（mv ）
输入（g ） 第一循环 第二循环 第三循环
正行程 反行程 正行程 反行程 正行程 反行程
0 0 0 0 0 0 0 20 20.1 20 20 20.1 20 21 20.2 40 40 40 40 40 40 42 40.33333 60 60 60 60 62 60 60 60.33333 80 80 80 80.1 80 81 80 80.18333 100 100 100 102 100 101 100 100.5 120 120 123 122 120 119 120 120.6667 140 141 140 140 140 140 141 140.3333 160 162 161 160 160 160 162 160.8333 180 180 180 180 180 180 180 180 200 195 200 200 203 200 204 202.3333