【文章內容簡介】 受被測量（質量）并輸出與被測量功能有確定關系的其他量的元件。 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，傳感器是最關鍵的部件， 其性能的好壞直接決定了電子秤的性能。生產電子秤的主要難點就是傳感器。稱重傳感器是一種能夠將重力轉變?yōu)殡娦盘柕牧Α娹D換裝置，是 電子衡器 的一個關鍵部件。設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，抗側向能力強，結構簡單，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、極間以空氣為介質的電容器（見圖）。若忽略 邊緣效應 ，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)結構簡單，適應性強等很多優(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：電阻式應變式傳感器 目錄 8 電阻應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）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（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，其功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)橄鄳碾娦盘栞敵?。物料的重量通過電子秤的秤體或料斗作用于應變式稱重傳感器，傳感器的彈性體在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應變片也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?。再經相應的檢測電路 ，把這一電阻變化轉換為電信號（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變片感受的應變所引起的電 阻變化有關。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?? （ ） 應變片式傳感器有如下特點： （ 1）應用和測量范圍廣，應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）結構輕小，對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應好。 （ 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變片應變片式稱重傳感器，量程為 100Kg，精度為 % ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。 目錄 10 應變式傳感器的材料及幾何尺寸選擇 應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)裥阅堋２粌H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計的難以程度和設計性價比等等。 為保證電子秤稱量結果的準確度，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，本設計采用 MTB 稱重傳感器，其最大量程為 由彎曲梁結構及金屬箔式應變計構成，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，廣泛用于各種結構的動、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 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，電阻應變片組成的傳感器是把機械應變轉換成△ R/R，而應變電阻的變化一般都很微小，例如傳感器的應變片電阻值 120Ω ，靈敏系數(shù) K=2，彈性體存額定載荷作用下產生的應變?yōu)?l000￡，應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，必須采用轉換電路，把目錄 12 應變計的△ R/R 變化轉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換成可以被 A/D 轉換器接收的信號。 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）輸入阻抗應遠大于信號源內阻 （ 2）抗共模電壓干擾能力強 （ 3）在預定的頻帶寬度內有穩(wěn)定準確的增益，良好的線性，輸入漂移和噪聲應（ 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成差動放大器，而構成的前級處理電路；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 用于調節(jié)輸出零點，最后一級是用于微調放大倍數(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)、低失調電壓 (最大 50 μ V)和低失調漂移 (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)于三運算放大器構成的儀表放大器的設計 , 如電源范圍寬 (177。 2. 3～ 177。 18 V ) , 設計體積小 , 功耗非常低 (最大供電 電流僅 1. 3 mA ) , 因而適用于低電壓、低功耗的應用場合。 AD620 為三運放集成的儀表放大器結構 , 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是輸入參考電壓 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：