1、電子秤電路設計與制作實驗報告姓名：學號：指導老師：通信與信息工程學院電子秤電路設計指導書一、實驗目的：本實驗要求學生設計并制作一個電子秤電路，要求能測量重量在 0200g 間的物體，輸出為電壓信號，通過調節電路使電壓值為對應的重量值， 電壓量綱 mv改為重量綱g即成為一臺原始電子秤。二、基本原理：基本思路總體設計思路如圖1所示，所測重量經過轉換元件轉換為電阻變化， 再經過測 量電路轉化為電壓變化，經過放大電路放大調節后輸出顯示得到所需信號。圖1基本設計思路電阻應變式傳感器本設計主要通過電阻應變式傳感器實現。電阻應變式傳感器是利用電阻應變片 將應變轉換為電阻的變化，實現電測非電量的傳感器。傳感器

2、由在不同的彈性敏 感元件上粘貼電阻應變片構成，當被測物理量作用在彈性敏感元件上時， 彈性敏 感元件產生變形，并使附著其上的電阻應變片一起變形， 電阻應變片再將變形轉 換為電阻值的變化。應變式電阻傳感器是目前在測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數中應用最廣泛的傳感器之一。1、彈性敏感元件物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現象稱為變形，而當外力去掉后物 體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀， 這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特 性的物體稱為彈性元件。彈性敏感元件是指元件在感受到力、壓力、力矩、振動等被測參量時，能將其 轉換成應變量或位移量，彈性敏感元件可以把被測參數由一種物理狀態轉換為另 一種

3、所需要的物理狀態。J2、電阻應變片對于一段長為L,截面積為S,電阻率為p的導體，未受力時電阻為 R = p | ,在外力的作用下，電阻絲將會被拉伸或壓縮，導體的長度L、截面積S以及電阻率P等均將發生變化，從而導致其電阻值發生變化，這種現象稱為“電阻 應變效應”。利用金屬或半導體材料電阻絲的應變電阻效應，可以制成測量試件表面應變的 敏感元件。為在較小的尺寸范圍內感受應變， 并產生較大的電阻變化，通常把應 變絲制成柵狀的應變敏感元件，即電阻應變片，通常由敏感柵、基底、蓋片、引 線和黏結劑等組成。測量電路電阻應變片把機械應變信號轉換成電阻變化后， 由于應變量及其應變電阻變化 一般都很微小，既難以直接

4、精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉換電 路，把應變計的電阻變化轉換成電壓或電流變化，以便于測量。具有這種轉換功能的電路稱為測量電路。電橋電路是目前廣泛采用的測量電路，常見的直流電橋電路如圖2,圖2直流電橋電橋輸出電壓為R1R3-R2R4.Uo=-U(式 1)(R14-R2)(R3 + R4)'R1、R2 R3 R4為四個橋臂，當一個臂、兩個臂或四個臂接入應變片時，就 相應構成了單臂、雙臂和全臂工作電橋。下面分別就單臂、半橋和全橋電路進行 討論。(1)單臂工作電橋圖3單臂工作電橋如圖3所示，R1為電阻應變片，R2 R3 R4為固定電阻。應變片未受力時電 橋處于平衡狀態，R1R3=

5、R2R4&出電壓U0=Q當承受應變時，R1阻值發生變化， 設為R1+A R,電橋不平衡，產生輸出電壓為(RI尤)R3扭Uo=Ri +7夫+ R2又如+我的(式2)設 R1=R2=R3=R4=R, AR<<R1M，.、Uo-而（式3）（2）雙臂工作電橋若在兩個橋臂上計入電阻應變片，其他橋臂為固定電阻，則構成雙臂工作電橋， 如圖4, R1、R2為電阻應變片，R3 R4為固定電阻。當應變片承受應變時，R1電阻增大AR, R2電阻減小AR,這種電橋成為差動電橋。圖4雙臂工作電橋此時電橋不再平衡，輸出電壓為UARUo=-fl-（式 4）由式知半橋的輸出是線性的沒有非線性誤差問題，而且

6、靈敏度比單臂提高了一倍。（3）全臂工作電橋若四個橋臂上全為電阻應變片，則構成全橋工作電路，如圖 5所示，R1、R2、 R3 R4全為電阻應變片。承受應變時，R1、R3電阻增大AR, R2、R4電阻減小 A R圖5全臂工作電橋電橋不再平衡，輸出電壓為Uo=U（式 5）由式知，全橋的電壓輸出是線性的，沒有非線性誤差問題，而且其靈敏度是單臂 的4倍，是半橋的2倍。電子秤實驗采用的是全橋測量電路，我們選取直流電源電壓為 8V。所取的應 變片未承受應變時阻值 R1=R2=R3=R4=350,當測量滿量程200g物體時，測得 應變片阻值變化 AR大約在0.10.3 Q之間（參見文章最后實驗數據記錄表 1、

7、表2）。我們取 AR=0.2Q ,U=8V,則測量電路的輸出電壓為 Uo=/ = 0.0046V。因為在實際電路中，應變片未承受應變時，電橋不一定處于完全的平衡狀態， 即R1R3-R3R4不為零，輸出Uo不為零，故在測量電路中加入滑動變阻器做調零 用，測量電路如圖6所示圖6電子秤測量電路差分放大電路測量電路將應變計的電阻變化轉換成了電壓變化，由于所得的輸出信號一般 都很微弱，如果在遇到干擾的時候可能會導致測量結果的錯誤，因此采集到電壓信號后，要對電壓信號進行放大，濾波，增強系統的抗干擾能力，系統的穩定性 會有所提高，讓顯示的數據也更加準確。先采用差分放大電路對電壓進行放大，我們先討論簡單的差動

8、放大器，如圖7所示,Vi1、Vi2為輸入，Vo為輸出。圖7基本差動放大器輸出電壓R2 R2 /?4Vo=-而Vi +（1+而）而 +由V2（式 6）本實驗中運算放大器采用 OP07芯片，OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩零 的雙極性運算放大器集成電路。由于 OP07具有非常低的輸入失調電壓，同時具 有輸入偏置電流低和開環增益高的特點，這種低失調、高開環增益的特性使得 OP07#別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。OP07管腳 圖如圖9所示。圖8 op07管腳圖OP075片引腳功能說明： 1和8為偏置平衡（調零端），2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接負電源或接地, 5空腳6為

9、輸出，7接正電源。該電路由三個運算放大器組成，Vol、Vo2和Vo分別為三運放的輸出電壓。分析電路知流過R2、R1的電流相等，設為i ,可以計算出理想的輸出電壓 Vo.Vil - Vili= ri（式 7）V。產Vi+Ri（式 8）V o2=V2-R2i（式 9）/?4R4 2R2Vo= 而（Voi-Vo2）=西（1 + 而）（V ii-Vi2）（式 10）卜面就各電阻應取阻值大小進行分析：前面已經計算過，當承重為滿量程 200g時應變片變化 ARM 0.2 Q ,此時 測量電路輸出電壓Ug4.6mV,即差分放大電路的差模輸入Vi-Vi2=4.6mV,而要求 的最終輸出電壓為200mV故需將U

10、o放大40多倍。由式（10）知差分放大電路R4 ,2R2R4 R2的放大倍數為麗（1 +后；），主要由近及近的值決定，但R1、R3太小會從集成運放中獲取太大的電流，太大的 R4 R2會增加電阻產生的噪聲，故其放大倍數不宜太大，我們可先通過差分放大電路將電壓信號放大至 100mVE右，再通過后續 的放大電路將其進一步放大以達到所要求值。 實驗中取R2=R3=10k,R4=51kQ, 而將R1用一個2kQ固定電阻和10kQ滑動變阻器Rb串聯代替，即放大倍數為5.1（1+記”），可以通過改變Rb阻值來進行調節。ft口十 £差分放大電路具有以下優點：1）高輸入阻抗。被提取的信號是不穩定的高內

11、阻源的微弱信號，為了減少信號源內阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。2）高共模抑制比。電路對共模信號幾乎沒有放大作用 ，共模電壓增益接近零。3）低噪聲、低漂移。主要作用是對信號源的影響小，拾取信號的能力強，以及 能夠使輸出穩定。4）電路的增益可以通過改變電阻 R1阻值來調節。二級放大電路電壓信號經過差分放大電路放大后并不能滿足預期要求，故需要將其進行進一步放大，后續放大電路如圖所示圖10二級放大電路Vin為輸入信號即差分放大電路的輸出， Vout為輸出。Vin - Vo 70 - Vout =R2（式 11）Vout= （式 12）1前面通過差分放大電路將電壓信號放大至 100mV右，故需再將其

12、放大約2倍, 取R2=20kQ, R1=10kQ,可以通過調節 Rb使輸出為200mV電子秤實驗的整體電路見附圖。三、需用器件與單元：傳感器、實驗臺、實驗元件箱。應受片托盤r 固定螺絲/加熱絲、四、實驗步驟：電路調試與數據記錄圖1傳感器托盤安裝示意圖1、將托盤安裝到傳感器上，如圖1所示2、測量應變片的阻值：當傳感器的托盤上無重物時，分別測量應變 片R1、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只祛碼后再分 別測量R1、R2、R& R4的阻值變化，記錄于表1-1、1-2中，分析應 變片的受力情況（受拉的應變片：阻值變大，受壓的應變片：阻值變小） 。3、設計測量電橋中各應變電阻的組

13、合方法，計算出在士4V供電情況下，測量電橋可能提供的最大電壓變化量。4、電橋電路稱重測量： 在未供電情況下，搭建測量電橋電路。在±4V供電情況下，首先調節電橋零點，然后依次加減祛碼兩次，用電壓表測量電橋電路的輸出電壓并做好實驗記錄。實驗數據記錄于表2-1 、 2-2 中。5、在未供電情況下，搭建好儀表放大器電路及后面的放大電路。注意：元件選取，線路連接一定要正確。特別是電源線更不能接錯，以免損壞實驗設備。6、差動放大器調零：不要連接電橋電路，將放大電路的輸入端短接（及整體電路圖中所標的A B 點短接） 。將主機箱上的電壓表量程切換開關切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關；調

14、節放 大器的增益電位器Rb至合適位置（先順時針輕輕轉到底，再逆時針回 轉1圈）后，再調節放大器的調零電位器 Rc,使電壓表顯示為零。7、系統電路調零：關閉主機箱電源，按整體電路圖接線（AB間接線 斷開），將±2V±10V可調電源調節到士 4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調節實驗模板上的橋路平衡電位器Ra使主機箱電壓表顯示為零。8、系統輸出增益調節：將10只祛碼全部置于傳感器的托盤上，調節 電位器Rb （見整體電路圖）使數顯表顯示為 0.200V（2V檔測量）。9、重復7、8步驟的標定過程，一直到精確為止。10、系統稱重實驗：將10個20g祛碼依次放在托盤上稱重，結

15、果記錄于表3-1 ;再將祛碼依次取下，結果記錄于表 4-2。放上筆、鑰匙 之類的小東西稱一下重量。實驗完畢，關閉電源。五、實驗記錄表如下面格式：1、測量應變片的阻值表1-1第一組測量數值R1R2R3R4空量程時阻值/ Q滿量程時阻值/ Q表1-2第二組測量數值R1R2R3R4空量程時阻值/ Q滿量程時阻值/ Q表1-3第三組測量數值R1R2R3R4空量程時阻值/ Q滿量程時阻值/ Q2、電橋電路稱重測量（1）表2-1 :將10個20g祛碼依次放上托盤，記錄輸出電壓數值祛碼重量（g）020406080100120140160180200輸出電壓（mv）（2）表2-2:將10個祛碼依次取下，記錄輸出電壓數值。祛碼重量（g）200180160140120100806040200輸出電壓（mv）繪制實驗曲線3、系統稱重數據記錄（1）表3-1 :將10個20g祛碼依次放上托盤，記錄輸出電壓數值祛碼重量（g）020406080100120140160180200輸出電壓（mv）（2）表3-2:將10個祛碼依次取下，記錄輸出