【文章內(nèi)容簡介】 受被測量（質(zhì)量）并輸出與被測量功能有確定關(guān)系的其他量的元件。 ② 變換元件：又稱傳感元件，是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y量的信號。 ③ 測量元件 （測量電路）：將變換元件的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑸檫M一步傳輸、處理、顯示、記錄或控制提供方便。 ④ 輔助電源：為傳感器的電信號輸出提供能量。一般稱重傳感器均需要外接 目錄 7 電源才能工作。因此，作為一個產(chǎn)品必須標明供電的要求，但不作為稱重傳感器的組成部分。 （ 3） 稱重傳感器的種類較多，但根據(jù)變化工作原理來分，主要有電阻應(yīng)變式、電容式、差動變動器式、壓磁式、 壓電 式、振頻式、陀螺式等。 稱重器選擇方案論證 在電子秤中，傳感器是最關(guān)鍵的部件， 其性能的好壞直接決定了電子秤的性能。生產(chǎn)電子秤的主要難點就是傳感器。稱重傳感器是一種能夠?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牧Α娹D(zhuǎn)換裝置，是 電子衡器 的一個關(guān)鍵部件。設(shè)計稱重傳感器的指導思想是：追求良好的自然線性，盡量有較高的輸出靈敏度，抗側(cè)向能力強，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工和密封，長期穩(wěn)定性要好。 方案一：電容式傳感器 被測的機械量，如 位移 、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器（見圖）。若忽略 邊緣效應(yīng) ，平板電容器的電容為ε S/d，式中（ 1）變極距型電容傳感器 (d) （ 2）變面積型電容傳感器 (A) （ 3）變介質(zhì)型電容傳感器 (ε ) 雖然電容式傳感器有 (1)高阻抗、小功率， (2)溫度穩(wěn)定性好。 (3)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強等很多優(yōu)勢，但是 1)輸出阻抗高，電容器電容量一般很小，故 Xc=1/ω C很大，為高阻原件，又因 P= C2^0 ?? ,C 很小， p也很小，負載能力差，易受外界干擾 2)寄生電容影響大。電 容式傳感器的初始電容量很小 ,而傳感器的引線電纜電容，測 量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，而且將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度。 方案二：電阻式應(yīng)變式傳感器 目錄 8 電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過 程。 檢測電路的主要部件是惠斯登電橋，它可以比較方便地解決稱重傳感器的補償問題，其功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號輸出。物料的重量通過電子秤的秤體或料斗作用于應(yīng)變式稱重傳感器，傳感器的彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。Ｔ俳?jīng)相應(yīng)的檢測電路 ，把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流）輸出，從而完成將外力變換為電信號的過程。 直流電橋的 特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應(yīng)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。 圖 23為一直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： 圖 23 傳感器內(nèi)部連接圖 當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱 為 電橋，即只有電壓輸出。當忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： u0 = uBD = uAB uAD 目錄 9 ? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR??? =E( 43 421 1 RR RRR R ??? ) =)43)(21(4231RRRRRRRRE???? （ ） 當滿足條件 R1R3=R2R4 時，即 3421 RRRR ? () ou =0，即電橋平衡。式（ ）稱平衡條件。 應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電 阻變化有關(guān)。若差動工作，即 R1=R△ R,R2=R+△R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ），則電橋輸出為 Ek?? （ ） 應(yīng)變片式傳感器有如下特點： （ 1）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器 。 （ 2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （ 3）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應(yīng)性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。 （ 4）商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 通過對壓力傳感器與電阻應(yīng)變式傳感器比較分析，最終選擇了第二種方案。我們選擇的是電阻應(yīng)變片應(yīng)變片式稱重傳感器，量程為 100Kg，精度為 % ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。 目錄 10 應(yīng)變式傳感器的材料及幾何尺寸選擇 應(yīng)變片傳感器的絕緣材料必須有很高的絕緣性能、足夠的機械強度、高形狀穩(wěn)定性及良好的 抗?jié)裥阅?。不僅要注意其量程和參數(shù)，還有考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)計的難以程度和設(shè)計性價比等等。 為保證電子秤稱量結(jié)果的準確度，克服傳感器在低量程段線性度差的缺點。在實際工作中，要求稱重傳感器的有效量程在 20%～ 80%之間．線性好，精度高。重量誤差應(yīng)控制存177。 ，確定傳感器的額定載荷為 100Kg，精度為 %，最大量程時誤差177。 。 綜合考慮，本設(shè)計采用 MTB 稱重傳感器，其最大量程為 由彎曲梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計構(gòu)成，具有過載保護裝置。該傳感器測量精度高、溫度特性好、工作 穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)測量及各種電子稈的一次儀表。 MTB 介紹 MTB 稱重傳感器獲得荷蘭 NMI 頒發(fā)的 OIMR60C3 證書，是一款 不銹鋼材質(zhì) 的波紋管 傳感器， 托利多 MTB 稱重傳感器最大稱 量值有 5kg500kg， MTB 傳感器焊接密封，防護等級 IP68，具有較好的防水防濕功能， 梅特勒 托利多 MTB稱重傳感器防爆性能滿足 EExibtlcT4 要求，安裝高度低，同 HBM Z6 兼容，可提供 高溫傳感器 ，最高工作溫度為 200℃。 MTB 稱重傳感器應(yīng)用于：主要用于包裝秤、皮帶秤 和化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的 配料稱 重控制。 目錄 11 放大電路 放大電路部 分和濾波電路 由稱重傳感器的稱量原理可知，電阻應(yīng)變片組成的傳感器是把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成△ R/R，而應(yīng)變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應(yīng)變片電阻值 120Ω ，靈敏系數(shù) K=2，彈性體存額定載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?l000￡，應(yīng)變電阻相對變化量為： △ R/R=K179?！?=2179。 1000179。 106 =0. 002 由上式可以看出電阻變化只有 ，其電阻變化率只有 %。這樣小的電阻變化既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把目錄 12 應(yīng)變計的△ R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個電壓 或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成可以被 A/D 轉(zhuǎn)換器接收的信號。 在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。 放大器的輸入信號一般由傳感器輸出的，傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常有較高的共模電壓。 因此：對放大器的要求： （ 1）輸入阻抗應(yīng)遠大于信號源內(nèi)阻 （ 2）抗共模電壓干擾能力強 （ 3）在預定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準確的增益，良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)（ 4）足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定 （ 5）能附加一些適應(yīng)特定要求的電路 放大電路部分的選擇 方案一：差動放大器 主要由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器，而構(gòu)成的前級處理電路；可以利用普通運放 (如 OP07)做成一個差動放大器。其設(shè)計電路如圖 41所示： 圖 41 電阻 R1， R2 和電容 C1， C2， C3， C4用于濾除前級的噪聲， C1， C2 為普通小電容，可以濾除高頻干擾， C3， C4為大的電解電容，用于濾除低頻噪聲。 優(yōu)點： 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高，輸入級加入隨射放大器，增大 目錄 13 了輸入阻抗，中間級為 差動放大電路，滑動變阻器 R6 用于調(diào)節(jié)輸出零點，最后一級是用于微調(diào)放大倍數(shù)，讓輸出滿足滿量程要求。輸出級為反相放大器，所以輸出電阻不是很大，較符合要求。 缺點：此電路要求 R3， R4 相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲，對精度影響較大。 方案二：采用專用儀表放大器， AD620,INA126 此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也高。 AD620 放大器特別適宜于較高 電阻值 , 較低電源電壓的壓力傳感器電路設(shè)計。AD620 的體積小、功耗低成為壓力 傳感器 AD620 由于體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點。 AD620 具有高精度 (最大非線性度 40 ppm)、低失調(diào)電壓 (最大 50 μ V)和低失調(diào)漂移 (最大 μ V/176。 C)特性，是電子秤的理想之選。放大器是把電源電壓放大，本文把電源電壓放大為 5V，從而供給電路使用。 AD620 的介紹 AD620 由傳統(tǒng)的三運算放大器發(fā)展而成 , 但一些主要性能卻優(yōu)于三運算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計 , 如電源范圍寬 (177。 2. 3～ 177。 18 V ) , 設(shè)計體積小 , 功耗非常低 (最大供電 電流僅 1. 3 mA ) , 因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。 AD620 為三運放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu) , 為保護增益控制的高精度 , 其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入 , 并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流 , 通過輸入級內(nèi)部運放的反饋 , 保持輸入三極管的 集電極 電流恒定 , 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻 RG 上。 AD620 的兩個內(nèi)部增益電阻為 24. 7 k8 , 因而增益方程式為 G = kΩ /R G + 1 式 (24) 對于所需的增益 , 則外部控制電阻值為 R G =（ G 1） kΩ (25) 式 (25) AD620 的引腳圖： 目錄 14 P1與 P8 腳接外部增益設(shè)置電阻。 P2與 P3 腳是輸入端。 P6腳是輸出端。 P4與 P7 腳接177。 5V電源 P5是輸入?yún)⒖茧妷?400mv 基本參數(shù)： 最大增益 :10000；帶寬 :1MHz ；針腳數(shù) :8；工作溫度范圍 :40176。C to +85176。 C ；封裝類型 :DIP； 3dB 帶寬增益乘積 :1000kHz；變化斜率 :；可編程增益最高 :1000；工作溫度最低 :40176。 C；工作溫度最高 :85176。 C；放大器類型 :instrumentation ；最小可編程增益 :1； 電源電壓最大 :18V ；電源電壓最小 :；芯片標號 :620；表面安裝器件 :通孔安裝；輸入偏移電壓最大 : ；輸入偏移量 ,最大 :1μ V/176。 C；輸出類型 :Single Ended；運放特點 :低功率 AD620 的 接口圖如圖所示：