基于单片机的多功能电子称设计

基于单片机的多功能电子称设计内容摘要：

用时，就不需要进行过于复杂的补偿。 这样，无论从经济上，还是从可靠性方面考虑都是有利的。 相反，在一些要求精确称量的场合，尤其在一个较长时间内无法进行调整检测的电子衡器或 测力系统就不但要求考虑线性、重复性、滞后三项精度，而且还要考虑因温度变化引起的误差、蠕变误差及长期稳定性。 传感器量程的选择决定于下列因素：①被称量物料最大的重量；②秤台或装置的自重；③传感器设置的数量；④正常操作下，最大可能产生的偏载；⑤称量状况下可能出 现的动载和冲击以及其他可能附加产生的干扰力。 其中，④、⑤两条对于不同的衡器、不同称量对象、不同的进料方式是各不相同的。 因此，对于不同类型的衡器，在同样的称量负荷下，传感器量程的选择是不同的。 综合许多国外引进的电子衡器中的传感器量程选 择和国内许多衡器厂的实践经验，在称量仪表允许的条件下，一般传感器选择量程为实际最大受载的 2～ 倍。 因为任何电子衡器均不可避免的存在着冲击、振动和偏载，而有些可能产生的力量是难以准确估计的；再则，选择传感器量程时所选定的冲击系数、重心偏移系数事实上也不是很确切的。 所以，从电子衡器最根本的性能指标 —— 可靠性来考虑，选用尽可能大的量程无疑是有利的。 传感器技术参数的选择主要有以下几个方面： （ 1）允许的不重复性误差、非线性误差、滞后误差。 上述技术参数应依据系统精度要求确定； (2)传 感器输出灵敏系数及是否要求规范化。 输出灵敏系数由弹性体结构及设计时确定的应力水平所决定，因此，用户应遵循生产厂提供的参数来选择。 国内各种传感器的灵敏系数和输出、输入阻抗正逐步规范化，以使传感器成为一个全国性甚至国际上可互换的商品。 (3)桥路阻抗和激励电压。 在原称量系统已有激励电源的使用场合，使用者必须考虑所选传感器施加的桥压。 因为应变片允许通过的电流是有规定的（ 20～ 25mA）。 用户应根据已有的测量系统提供的桥压选择合适的应变片，以避免产生差错。 （ 4）复零特性、温漂特性、时漂特性、固有频率等。 对于一些 精密称量场合，在必要时用户可对生产厂提出一些更详细的技术参数要求。 对传感器来说，在弹性体完成贴片组桥补偿后，就开始受到环境中潮气的侵蚀。 在现场工作时，若不加以可靠密封，就会受到工作环境中存在的潮气、腐蚀性气体和介质、水、灰尘的损害，所以工程上用传感器必须具有防护外罩，采用密封措施。 对于在室内干净、干燥环境下工作的传感器，可以选择涂胶密封的传感器；而对于一些在潮湿环境下工作，甚至可能遭受水淹场合下工作的传感器，必须选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。 对于在严重腐 蚀性环境下工作的传感器，则必须选择外表面进行喷塑或不锈钢外罩的传感器。 称重传感器的基本结构 常规称重传感器的结构基本可划分为下列几种 4 ，它们各有其适应的称量范围和独特的性能，这将为选型提供方便。 柱式传感器是一种最古老的结构形式，它的称量范围比较大，一般为几十吨到几百吨。 轮辐式传感器常规量程范围在 1t～ 5t 之间，多用于电子汽车秤、电子轨道衡、电子钢材秤、料斗秤。 但在较大量程时，常因周边固支刚度不够而引起较大 的滞后误差，所以目前在国内已大多被量程范围宽、结构更合理、加工方便的桥式传感器所取代。 在料斗秤及其它适宜采用圆柱外形的场合，轮辐式传感器仍在应用。 桥式传感器实际上是一种双梁式传感器，国内统称为桥式是由其弹性体形态似桥而得名。 桥式传感器已普遍用于无坑式汽车秤、各种平台秤及静态和动态电子轨道衡等场合。 对 ～ 30t量程范围的拉式传感器和 ～ 10t范围的压式传感器，柱环式传感器是一种很好的结构形式。 柱环结构本身不具备抗偏、抗弯、抗扭能力，所以国内早期的柱环式仅用于拉式传感器。 近年 来，由于双层膜片焊接密封工艺的成熟和单层膜片热套工艺的普及，柱环弹性体已开始应用于压式传感器。 其精度等级在 ～ 之间，广泛应用于料斗秤、钢材秤，其动态响应能力、抗冲击能力优于双连孔传感器。 剪切梁式传感器主要有剪切悬臂梁和剪切梁式两种。 它们的工作原理相同均是利用剪切原理。 以工字截面剪切梁为敏感部位的剪切式传感器和剪切桥式传感器是目前国内应用最为广泛的一种形式。 该种传感器具有很高的精度和稳定性，有很强的抗侧向能力，它不需要线性补偿，就能达到 ～ 级转换精度。 其中剪切 悬臂梁式传感器国外常用的量程范围为 1t～ 50t，国内大多为 1t～ 10t。 剪切桥式传感器国内常用量程为 1t～ 100t。 由于两端固支条件、腹板上应力分布均优于轮辐式，所以近年来已取代轮辐式传感器，大量用于电子钢等火器、电子汽车秤、电子钢材秤、容器秤、吊车秤等电子衡器与各种电子测力系统中。 S梁式传感器 量程范围在 ～ 10kg 的称重传感器大多采用这种结构。 利用铝合金弹性模量小的特点，近年来已能把双孔弹性体的称量下限延伸到 2kg，所以， ～ 2kg 量程范围内的称量与测力，就惟有选择单 S 梁结构。 这种传感器一般应用于一些特殊场合，例如手提式商用秤及其它小力值测试。 主要工艺上做到精细，静态测量精度可达 ～ 级，它的缺点是自身刚度小，自振频率低，不适用于振动、冲击环境。 形双连孔式传感器 国内外 2kg～ 500kg 量程范围内的称重传感器，不论拉式还是压式结构，均采用双连孔弹性体作为转换元件。 不加线性补偿，精度可达 ～ 级。 并且有优越的抗偏、抗侧能力，广泛应用于料斗秤和皮带秤。 由于可通过对四个敏感部位锉磨的方法进行四角误差的修正，所以市场上应用的大量计价秤，几乎无一例外地采用了 这种结构形式的弹性体。 综合各方面性能及要求，本项目选用 S形双连孔式传感器，其结构如图 所示。 图 S形双连孔式传感器弹性元件 应变式传感器 称重传感器按变换原理分类，主要有电阻应变式、差动变压器式、电容式、压磁式、压电式和振频式等多种。 根据国际计量联合会的会议记录，应变式称重传感器占总称重传感器的 90%以上。 在自动称量及电子衡器方面，国外有 80%使用电阻应变式称重传感器，国内的使用量约占 90%～ 95%以上。 原因是电阻应 变式称重传感器，无论是敏感元件 —— 电阻应变计，还是传感器弹性体结构设计、弹性体材料加工处理、线路补偿以及检测仪表等方面，技术都比较成熟，测量精度比较高，稳定性也比较好，并且更有利于产业化和规模化生产。 中国是家用电子秤称重传感器的研发和生产中心，目前家用电子秤（人体秤、健康秤、脂肪秤、厨房秤、营养秤、口袋秤和手提秤等）的称重传感器主要是应变式称重传感器。 电阻应变式称重传感器具有直线性和重复性好、滞后小（综合精度高）、工作可靠、长期稳定性好、疲劳效应好、适于动态测量等特点，而且结构简单、体积小、可用作多种量程 的称重传感器。 因此，是目前在电子称重装置中应用最广的一种传感器。 应变片式传感器的工作原理，是利用粘接剂将电阻应变片粘贴在金属弹性元件上，当弹性元件受力产生变形时，电阻应变片将该形变转换为阻值的变化，从而测得被测力的大小。 电阻应变式称重传感器较其它型的传感器要好，它主要有如下优点 5 ： 1. 结构简单，体积下，可制成多种量程的称重传感器； 2. 直线性和重复性好，滞后小，目前综合精度可达 ～ %； 3. 工作可靠，长期稳定性好； 4. 可以作成拉、压两用，而且受拉和受压的输出 特性对称性好； 5. 有互换性，使用方便，容易与电子测量仪表匹配； 6. 寿命长，维修使用简单； 7. 频率响应好，能进行动态测量。 弹性元件 电阻应变片传感器从工作原理来说，凡是能够传递应变的弹性材料，都可作为传感器的敏感元件，但考虑其工作环境、安装部位的空间大小、受力形式、量程范围、必要的灵敏度、精度要求、应变片的结构尺寸等因素，一般多采用环式、膜式或梁式等形式。 在测量较大的力时，常用柱式结构。 在要求的特殊情况下 则可以采用组合型的结构，以提高其灵敏度、精度及使用稳定性。 性元件材料的选择 一个良好的传感器弹性元件的材料应具备以下要求： ① 应该具有高的强度，以便在高载下，保证有足够的安全性能； ② 高的弹性极限； ③ 经过最终热处理后，残余应力小，并具有均匀而稳定的组织，而且是各向同性的； ④ 具有良好的抗疲劳性能； ⑤ 弹性滞后尽量小； ⑥ 具有较小的热膨胀系数，小而恒定的弹性模量和温度系数，使其温漂最小； ⑦ 良好的机械加工及热处理性能； ⑧ 在不采取密封保护和在腐蚀气氛下使用时，应具有抗腐蚀能力。 弹性元件尺寸的选择必须符合以下三个方面 的要求： ① 弹性元件在粘贴电阻应变片的截面上其变形是单一的、均匀的、电阻应变片反映的应变信号与所测参数之间应成线性关系。 对于悬臂梁、两端固支梁、圆环和框形等弹性元件，为了使弹性元件在受力变形下具有均匀特性，在实际的结构尺寸选择中常用到 L/H 比值。 L 为悬臂梁有效长度， H 为截面高度。 通常 L≥ 70h。 ② 弹性元件受力变形后具有良好的重复性和稳定性。 （对于圆柱形的弹性元件，在高度 L取得过大、压缩力达到一临界值时，加一极小的横向载荷就可以产生很大的横向挠度，从而使弹性元件失去弹性稳定性。 因此，减低高度和 作成空心圆柱体是提高稳定性的方法） ③ 弹性元件应该具有较高抗侧向力的能力。 提高弹性元件抗侧向力的能力可以有下面几项措施： ，不仅稳定性好，而且提高了抗侧向力的能力；。 由于膜片轴向刚度不大，因此对传感器的灵敏度影响甚小，而膜片的横向刚度却很大。 ，具有较好的抗侧向力的能力。 应变胶 传感器的精度受弹性元件、应变片、应变胶以及与之配套的二次仪表的影响，应变 胶是制造高精度传感器的关键之一。 实践证明 ，粘结强度高的胶，并不都能应用于应变片的粘贴，特别是对于高精度的传感器，对应变胶有着更多的要求： ①有一定的粘结强度； ②能准确传递应变； ③蠕变要小； ④机械滞后小； ⑤耐疲劳性能好； ⑥长期稳定性好； ⑦具有足够的电磁绝缘性； ⑧对弹性元件及应变片不产生化学腐蚀作用； ⑨具有适当的贮存期。 应变片 电阻应变片分金属丝式，金属箔式和金属薄膜式 6。 1. 金属丝式应变片 金属丝式应变片有回线式和短接式两种。 回线式应变片制作简单，性能稳定，成本低， 易粘贴，但因弯曲部的变形使其横向效应较大。 为了克服横向效应，采用短接式应变片。 短接式应变片由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，使用较少。 金属箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为 ～ 电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。 它的优点是：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，以适应不同的测量要求。 与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度。 横向效应可以忽略。 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 它的主要缺点 是电阻值的分散性大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值调整。 箔式电阻应变片的工作原理基本上和电阻丝式应变片相同。 它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻技术、腐蚀等工序制成的一种很薄的金属箔栅，故称为箔式电阻应变片。 金属箔的厚度一般在 ～ 之间，它的基片和覆盖片多为胶质膜 基片，其厚度多在 ～ 之间。 箔式应变片和电阻丝应变片相比较，具有如下特点： 1）金属箔栅很薄。 当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积要比丝材大，使它能很好地和弹性体共同工作。 其次，箔材 的端部较宽，横向效应相应地较小，因而提高了应变测量精度。 2）箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大的电流，可以输出较强的电信号，从而提高测量灵敏度。 3）箔材的尺寸准确、均匀且能制成任意的形状。 特别是为制造应变花和小标准应变片提供了可能，从而扩大了应变片的使用范围。 4） 便于成批生产。 箔式应变片的缺点是生产工序比较复杂，引出线的焊点采用锡焊不适用于高温环境下测量，另外价格较丝式为贵。 3. 金属薄膜应变片 金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。 它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成 厚度在 m 以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。 它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，可在 197～317℃温度下工作。 主要问题是，尚难控制其电阻与温度和时间的变化关系。 本项目选用金属箔式应变片，其粘贴位置如图。 本项目要求称量范围为 0～ 15kg， 重量误差不大于 177。 ，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重 ( 15kg)。 在称量仪表允许的条件下，一般传感器选择量程为实际最大受载的 2～ 倍 ， 所以 我们选择的传感器量程 为 30kg ，精度为 %，满量程时误差。 可以满足本系统的精度要求。 通过综合分析，本项目最终确定采用金属箔应变式称重传感器，并且其弹性元件为 S 形双连孔结构， 其原理如 图 所示。 应变式称重传感器的各种补偿 电阻应变式称重传感器在将各应变片引线连接成 桥路之后，虽然在输入端加上供桥电压，输出端就可得到反应重量大小的输出信号，但是由于传感器受到种种因素的影响。