重量检测系统设计-电子秤的设计毕业设计(编辑修改稿)

重量检测系统设计-电子秤的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

受被测量（质量）并输出与被测量功能有确定关系的其他量的元件。 ② 变换元件：又称传感元件，是将敏感元件的输出转变为便于测量的信号。 ③ 测量元件 （测量电路）：将变换元件的输出转变为电信号，为进一步传输、处理、显示、记录或控制提供方便。 ④ 辅助电源：为传感器的电信号输出提供能量。 一般称重传感器均需要外接 目录 7 电源才能工作。 因此，作为一个产品必须标明供电的要求，但不作为称重传感器的组成部分。 （ 3） 称重传感器的种类较多，但根据变化工作原理来分，主要有电阻应变式、电容式、差动变动器式、压磁式、 压电 式、振频式、陀螺式等。 称重器选择方案论证 在电子秤中，传感器是最关键的部件， 其性能的好坏直接决定了电子秤的性能。 生产电子秤的主要难点就是传感器。 称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力→电转换装置，是 电子衡器 的一个关键部件。 设计称重传感器的指导思想是：追求良好的自然线性，尽量有较高的输出灵敏度，抗侧向能力强，结构简单，易于加工和密封，长期稳定性要好。 方案一：电容式传感器 被测的机械量，如 位移 、压力等转换为电容量变化的传感器。 它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。 其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。 若忽略 边缘效应 ，平板电容器的电容为ε S/d，式中（ 1）变极距型电容传感器 (d) （ 2）变面积型电容传感器 (A) （ 3）变介质型电容传感器 (ε ) 虽然电容式传感器有 (1)高阻抗、小功率， (2)温度稳定性好。 (3)结构简单，适应性强等很多优势，但是 1)输出阻抗高，电容器电容量一般很小，故 Xc=1/ω C很大，为高阻原件，又因 P= C2^0  ,C 很小， p也很小，负载能力差，易受外界干扰 2)寄生电容影响大。 电 容式传感器的初始电容量很小 ,而传感器的引线电缆电容，测 量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，而且将使传感器工作不稳定，影响测量精度。 方案二：电阻式应变式传感器 目录 8 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过 程。 检测电路的主要部件是惠斯登电桥，它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题，其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。 物料的重量通过电子秤的秤体或料斗作用于应变式称重传感器，传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小）。 再经相应的检测电路 ，把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流）输出，从而完成将外力变换为电信号的过程。 直流电桥的 特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。 图 23为一直流供电的平衡电阻电桥， inE 接直流电源 E： 图 23 传感器内部连接图 当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称 为 电桥，即只有电压输出。 当忽略电源的内阻时，由分压原理有： u0 = uBD = uAB uAD 目录 9    )()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo  ERR =E( 43 421 1 RR RRR R  ) =)43)(21(4231RRRRRRRRE （ ） 当满足条件 R1R3=R2R4 时，即 3421 RRRR  () ou =0，即电桥平衡。 式（ ）称平衡条件。 应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电 阻变化有关。 若差动工作，即 R1=R△ R,R2=R+△R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式（ ），则电桥输出为 Ek （ ） 应变片式传感器有如下特点： （ 1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。 （ 2）分辨力和灵敏度高，精度较高。 （ 3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。 （ 4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 通过对压力传感器与电阻应变式传感器比较分析，最终选择了第二种方案。 我们选择的是电阻应变片应变片式称重传感器，量程为 100Kg，精度为 % ，满足本系统的精度要求。 目录 10 应变式传感器的材料及几何尺寸选择 应变片传感器的绝缘材料必须有很高的绝缘性能、足够的机械强度、高形状稳定性及良好的 抗湿性能。 不仅要注意其量程和参数，还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。 为保证电子秤称量结果的准确度，克服传感器在低量程段线性度差的缺点。 在实际工作中，要求称重传感器的有效量程在 20%～ 80%之间．线性好，精度高。 重量误差应控制存177。 ，确定传感器的额定载荷为 100Kg，精度为 %，最大量程时误差177。 综合考虑，本设计采用 MTB 称重传感器，其最大量程为 由弯曲梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。 该传感器测量精度高、温度特性好、工作 稳定等优点，广泛用于各种结构的动、静态测量及各种电子秆的一次仪表。 MTB 介绍 MTB 称重传感器获得荷兰 NMI 颁发的 OIMR60C3 证书，是一款 不锈钢材质 的波纹管 传感器， 托利多 MTB 称重传感器最大称 量值有 5kg500kg， MTB 传感器焊接密封，防护等级 IP68，具有较好的防水防湿功能， 梅特勒 托利多 MTB称重传感器防爆性能满足 EExibtlcT4 要求，安装高度低，同 HBM Z6 兼容，可提供 高温传感器 ，最高工作温度为 200℃。 MTB 称重传感器应用于：主要用于包装秤、皮带秤 和化工、医药、食品等行业的 配料称 重控制。 目录 11 放大电路 放大电路部 分和滤波电路 由称重传感器的称量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成△ R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值 120Ω ，灵敏系数 K=2，弹性体存额定载荷作用下产生的应变为 l000￡，应变电阻相对变化量为： △ R/R=K179。 ￡ =2179。 1000179。 106 =0. 002 由上式可以看出电阻变化只有 ，其电阻变化率只有 %。 这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。 因此，必须采用转换电路，把目录 12 应变计的△ R/R 变化转换成电压或电流变化，但是这个电压 或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被 A/D 转换器接收的信号。 在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。 放大器的输入信号一般由传感器输出的，传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常有较高的共模电压。 因此：对放大器的要求： （ 1）输入阻抗应远大于信号源内阻 （ 2）抗共模电压干扰能力强 （ 3）在预定的频带宽度内有稳定准确的增益，良好的线性，输入漂移和噪声应（ 4）足够小以保证要求的信噪比。 从而保证放大器输出性能稳定 （ 5）能附加一些适应特定要求的电路 放大电路部分的选择 方案一：差动放大器 主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；可以利用普通运放 (如 OP07)做成一个差动放大器。 其设计电路如图 41所示： 图 41 电阻 R1， R2 和电容 C1， C2， C3， C4用于滤除前级的噪声， C1， C2 为普通小电容，可以滤除高频干扰， C3， C4为大的电解电容，用于滤除低频噪声。 优点： 差动放大器具有高输入阻抗，增益高，输入级加入随射放大器，增大 目录 13 了输入阻抗，中间级为 差动放大电路，滑动变阻器 R6 用于调节输出零点，最后一级是用于微调放大倍数，让输出满足满量程要求。 输出级为反相放大器，所以输出电阻不是很大，较符合要求。 缺点：此电路要求 R3， R4 相等，误差将会影响输出精度，难度较大。 实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。 方案二：采用专用仪表放大器， AD620,INA126 此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也高。 AD620 放大器特别适宜于较高 电阻值 , 较低电源电压的压力传感器电路设计。 AD620 的体积小、功耗低成为压力 传感器 AD620 由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点。 AD620 具有高精度 (最大非线性度 40 ppm)、低失调电压 (最大 50 μ V)和低失调漂移 (最大 μ V/176。 C)特性，是电子秤的理想之选。 放大器是把电源电压放大，本文把电源电压放大为 5V，从而供给电路使用。 AD620 的介绍 AD620 由传统的三运算放大器发展而成 , 但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计 , 如电源范围宽 (177。 2. 3～ 177。 18 V ) , 设计体积小 , 功耗非常低 (最大供电 电流仅 1. 3 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用场合。 AD620 为三运放集成的仪表放大器结构 , 为保护增益控制的高精度 , 其输入端的三极管提供简单的差分双极输入 , 并采用β工艺获得更低的输入偏置电流 , 通过输入级内部运放的反馈 , 保持输入三极管的 集电极 电流恒定 , 并使输入电压加到外部增益控制电阻 RG 上。 AD620 的两个内部增益电阻为 24. 7 k8 , 因而增益方程式为 G = kΩ /R G + 1 式 (24) 对于所需的增益 , 则外部控制电阻值为 R G =（ G 1） kΩ (25) 式 (25) AD620 的引脚图： 目录 14 P1与 P8 脚接外部增益设置电阻。 P2与 P3 脚是输入端。 P6脚是输出端。 P4与 P7 脚接177。 5V电源 P5是输入参考电压 400mv 基本参数： 最大增益 :10000；带宽 :1MHz ；针脚数 :8；工作温度范围 :40176。 C to +85176。 C ；封装类型 :DIP； 3dB 带宽增益乘积 :1000kHz；变化斜率 :；可编程增益最高 :1000；工作温度最低 :40176。 C；工作温度最高 :85176。 C；放大器类型 :instrumentation ；最小可编程增益 :1； 电源电压最大 :18V ；电源电压最小 :；芯片标号 :620；表面安装器件 :通孔安装；输入偏移电压最大 : ；输入偏移量 ,最大 :1μ V/176。 C；输出类型 :Single Ended；运放特点 :低功率 AD620 的 接口图如图所示：。