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1、基于霍尔式传感器的电子秤课程设计基于霍尔式传感器的电子秤-课程设计 作者： 日期： 课程设计报告设计题目 基于霍尔式传感器的电子秤 指导老师 摘要科学技术的发展对称重技术提出了更高的要求，尤其是微处理技术和传感技术的巨大进步，大大加速了这个进程。目前，电子秤在商业销售中的使用已相当普遍，但在市场上仍广泛使用的电子秤有很大局限性。这些电子秤体积大、成本高，又不便随身携带，而目前市场上流行的便携秤又大都采用杆式秤或以弹簧压缩、拉伸变形来实现计量的弹簧秤等，其计量误差大，又容易损坏。杆式秤和弹簧秤等计量器械将逐渐被淘汰。因此，一种能够在未来更方便、更准确的普及型电子秤的发展受到人们的重视，设计一种重

2、量轻、计量准确、读数直观的民用电子秤迫在眉睫。本设计过程充分利用传感器的有关知识，利用霍尔传感器设计的简单电子秤很大程度上满足了此应用需求，并从简单电子秤的基本构造进一步了解大型电子秤的构造原理。关键词：CSY传感器实验仪；电子秤；霍尔式传感器；差动放大器 第一章 绪论1.1 电子秤概述1.1.1 电子秤的发展称重技术自古以来就被人们所重视，作为一种计量手段，广泛应用于工农业、科研、交通、内外贸易等各个领域，与人民的生活紧密相连。电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和

3、社会经济效益的提高。电子秤的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由粗糙到精密、由机械到机电结合再到全电子化、由单一功能到多功能的过程。特别是近30年以来，工艺流程中的现场称重、配料定量称重、以及产品质量的监测等工作，都离不开能输出电信号的电子衡器。这是由于电子衡器不仅能给出质量或重量信号，而且也能作为总系统中的一个单元承担着控制和检验功能，从而推进工业生产和贸易交往的自动化和合理化。通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信

4、息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性，伴随着高科技的发展，电子秤的功能将会日趋完善。1.1.2 电子秤的分类1. 按原理分:电子秤、机械秤、机电结合秤；2. 按功能分：计数秤、计价秤、计重秤；3. 按用途分：工业秤、商业秤、特种秤；4. 按放置位置分：1) 桌面秤：指全称量在30Kg以下的电子秤；2) 台秤：指全称量在30-300Kg以内的电子秤；3) 地磅：指全称量在300Kg以上的电子秤；1.2 电子秤的组成1.2.1 电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤

5、均由以下三部分组成：1. 承重传力复位系统； 它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。2. 称重传感器； 即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的

6、灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。3. 测量显示和数据输出的载荷测量装置；即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。1.2.2 电子秤的基本工作原理当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电

7、信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。需要指出的是，由于本实验中没有用到单片机的有关知识，而直接使用CSY传感器实验仪，故经放大电路放大的信号直接进入F/V表，从而直接得出物体重量与输出电压值的关系，继而计算出灵敏度。第二章 电

8、子秤设计目的意义及设计任务与要求2.1 电子秤设计目的意义本次设计旨在让学生在熟悉掌握传感器技术的基础上，通过设计电子秤进一步加深对传感器技术的了解；并熟练掌握CSY传感器试验仪的操作方法；在不断的创新尝试中了解比较设计电子秤的四种基本方法：交流全桥、差动变压器（互感式）、电涡流传感器、霍尔传感器。此次设计中主要利用霍尔式传感器的直流激励特性设计电子秤，在设计中主要了解霍尔式传感器的原理与特性、霍尔式传感器在静态测量中的应用。2.2 此课程在教学计划中的地位和作用此次科研训练涉及到传感器技术这门课程，因此通过此次科研训练可以使学生充分了解传感器的知识，为后续学好传感器技术打下良好的基础。且传感

9、器技术是电子信息类专业的一门重要的专业基础课，主要讲授传感技术的整体概念和常见物理量传感器的机理、构成、测量电路和应用方法，并结合实验操作环节，增强对常见传感器的原理、结构的理解和认识，掌握传感器的应用方法，也为后继课程如过程控制仪表、计算机控制技术等准备必要知识。2.3 电子秤设计任务与要求2.3.1 电子秤设计任务设计并制作一个可以称量物体的电子秤。2.3.2 电子秤设计要求1) 可以测量0-200克的物体；2) 精度为1克；3) 计算出灵敏度，将电压表示数与物体重量相对应。第三章 电子秤总体设计方案3.1 电子秤设计思想设计电子秤，可以通过构造电路将物体质量和指示表中数据一一对应，即使两

10、者呈一定的线性关系；而建立两者之间的对应关系就需利用传感器将非电量转化为电学量，可简单通过图3.1表示。线性对应物体重量指示表非电量电量传感器 图3.1图3.2 电子秤各电路单元按照电子秤设计的要求，可确定电子秤电路由以下几部分组成：主副电源部分、电桥平衡网络单元、称重传感器部分、运算放大部分、电压表显示部分组成，如图3.2所示。 运算放大部分称重传感器电桥平衡网络主副电源F/V表显示工作原理：当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放

11、大，直接进入F/V表，可读出电压表示数，进而确定电压表示数与被测量物体重量的关系。3.2各电路单元或部件的选择3.2.1 直流稳压电源的选择直流稳压电源可直接从CSY传感器实验仪获得，由于此设计过程采用的是直流激励，故应将直流稳压电源置+2V档且激励电压不能过大，以免损坏霍尔片3.2.2 电桥平衡网络的选择 电桥平衡网络采用CSY传感器实验仪左下角的电桥单元，使用时可自由调节电位继W1,如图3.3所示。图3.3 电桥平衡网络3.2.3 称重传感器的选择称重传感器在电子秤中占有十分重要的位置，被喻为电子秤的心脏部件，它的性能好坏很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占

12、电子秤整机误差的50%-70%。若在环境恶劣的条件下（如高低温、湿热），传感器所占的误差比例就更大，因此，在人们设计电子秤时，正确地选用称重传感器非常重要。称重传感器的选择主要从以下几个方面考虑：1. 要考虑传感器所处的实际工作环境情况；传感器所处的工作环境情况对如何选用传感器是至关重要的，它关系到传感器能否正常的工作，关系到传感器的安全和使用寿命，乃至关系到整个电子秤的可靠性和安全性。2. 对传感器数量和量程的选择；传感器数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊

13、的秤体，如电子吊秤，就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传感器量程的选择是依据秤的最大秤量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定传感器的量程。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感的载荷，其称量的准确度就越高，但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷的存在，因此在选用传感器量程的时候，要考虑诸如多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。称重传感器的种类很多，根据工作原理来分常用的有以下几种： 电阻应变式、电容式、压磁式、压电式、谐振式等。1. 电阻应变式称重传感

14、器：是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的转换元件。2. 电容式称重传感器：是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它是以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器由于它存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。近些年来由于集成电路特别是微处理技术的发展，可将电子线路紧靠传感器的极板以减小电缆分布电容的影响，并可利用微处理技术对电容式传感器的温度特性和非线性进行补偿，所以电容式传感器在电子称重技术中的应

15、用又得到了重视，在国内已出现了可与电阻应变式传感器电子秤准确度相比的电容式台秤和电容式吊秤等产品。3. 压磁式称重传感器：也称磁弹性传感器，它是一种力电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小、能在恶劣的环境中工作、结构简单便于加工等优点。缺点是准确度低、反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的承受大吨位，并要求牢固可靠、安全报警等测力或称重场合。4. 谐振式称重传感器：也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着

16、被称物体重量的变化而产生频率变化现象而形成的一种传感器。谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。在称重技术中主要采用的是振弦式称重传感器和振梁式称重传感器类的一种复合音叉振子传感器。称重传感器的主要性能指标：1. 传感器的输出灵敏度传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1V时的输出电压，单位为（mV/V）。在任一载荷下，传感器的输出电压 =所加载荷供桥电压输出灵敏度/额定载荷。2. 非线性传感器承受载荷与其相应输出电压之间并非成完全的线性关系，由此而造成的误差称为传感器的非线性误差。3. 不重复性在同一环境条件下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值

17、不尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。4. 零点不平衡输出在传感器不受任何载荷条件下，传感器输入端以额定的供桥电压时的输出电压，称为零点不平衡输出。综合对上述的了解以及自己做实验的亲身体验，最终决定采用霍尔式传感器完成此设计内容，霍尔式传感器单元如图3.4所示，图3.5为其实物图。图3.4 霍尔传感器单元图3.5 霍尔传感器实物图3.2.4 差动放大器的选择放大电路的主要性能指标有放大倍数、输入电阻、输出电阻等，其中放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数；输入电阻是从输入端向放大电路内看去的等效电阻，它等于放大电路输出端接实际负载电阻后，输入电压与输

18、入电流之比；放大电路的输出端可等效为一个信号源。在此设计中可利用传感器试验仪上的差动放大器单元，如图3.6所示。图3.6 差动放大器单元3.2.5 F/V表的选择此F/V表是显示差动放大器输出的电压值，可直接用实验仪上的数字式电压/频率表即（F/V表）：3位半显示，电压范围0-2V，0-20V，频率范围3Hz-2KHz、10Hz-20KHz，灵敏度50mV,如图3.7所示。图3.7 F/V表3.3 最终方案的确定经过上述的思考与论证，决定设计的最终方案如下：1. 称重传感器选霍尔式传感器；2. 电源部分、电桥平衡网络、差动放大器、电压表均按要求采用CSY传感器实验仪上相应的单元。第四章 硬件设

19、计4.1 硬件设计概要4.1.1 硬件电路设计原理说明及电路图原理说明：在直流稳压电源的激励下，首先调整电位继W1使电压表示数为零，以补偿不等位电势（不考虑温度误差的影响）；当有重物放在振动平台正中央且霍尔元件通过恒定电流时，霍尔元件会在梯度磁场中向下移动时，输出的霍尔电势也为负值，即与位移相对应，且与位移在一定程度上呈线性关系；输出的霍尔电势经差动放大器放大显示在F/V表上，经过多次实验可得出被测物体重量与电压表示数的关系，从而通过看放未知重物时的电压表示数可迅速得到其重量。电子秤原理图如图4.1示。 电桥平衡网络 霍尔式传感器 差动放大器 电压表图4.1 电子秤原理图4.1.2 硬件电路设

20、计的步骤1. 旋钮初始位置：1) 差动放大器：增益旋至最小2) F/V数显表：置于2V档3) 直流稳压电源：置于2V档4) 主副电源关闭2. 了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号（霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器）。3. 开启主副电源将差动放大器增益调至最小位置调零后，关闭主副电源，拆除差动放大器调零接线。4. 差动放大器增益调至最小位置调零后，不再改变调零电位继的位置。5. 调节测微头脱离平台并远离振动台。6. 按图1接线，开启主副电源，调W1电位继使系统电压输出为零。7. 在称重平台上放上砝码，填入

21、表4.1中。W(g)020406080100120140V(mv)0-40-83-124-165-203-238-265 表4.1 V-W关系表8. 根据表4.1中数据作出V-W曲线，可看出其线性范围为0-140g,并可得出其灵敏度S=2.03mv/g，如图4.2所示。20 40 60 80 100 120 140 160 W（g）0-40-80-120-160-200-240-280-320V（mv）图4.2 V-W曲线9. 根据线性起点移走平台上放的多余称重砝码，记下此刻的表头读数，再在平台上放一个未知重量之物，记下表头读数。根据线性区的灵敏度S可求得此物体重量。如若电压表显示13mv,则

22、所称量物体重6.4g。4.2 所用到的单元或部件及其各自说明 4.2.1 单元或部件列表1) 直流稳压电源； 2) 电桥平衡网络单元； 3) 霍尔式传感器单元；4) 差动放大器单元；5) 电压表；4.2.2 直流稳压电源简介由于本设计中使用的是直流激励，故应使用+2V直流稳压电源，且激励电压不可过大，以免损坏霍尔片。直流稳压电源有如下特点：1. 输出电压值能在额定输出电压值以下任意设定和正常工作；2. 输出电流的稳流值能在额定输出电流值以下任意设定和正常工作；3. 直流稳压电源的稳压与稳流状态能够自动转换并有相应的状态指示；4. 对于输出的电压值和电流值要求精确的现实和识别；5. 对于输出电压

23、和电流值有精确要求的直流稳压电源，一般要用多圈电位器和电压电流微调电位器，或者直接数字输入；6. 要有完善的保护电路，直流稳压电源在输出端发生短路及异常工作状态时不应损坏，在异常情况消除后能立即正常工作；4.2.3 电桥平衡网络简介电桥电路是最常用的非电量电测量电路中的一种，其中直流电桥是一种精密的电阻测量仪器，具有重要的应用价值。按电桥的测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥。平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进行比较，通过调节电桥平衡，从而测得待测电阻值，如单臂直流电桥(惠斯登电桥)、双臂直流电桥(开尔文电桥)。它们只能用于测量具有相对稳定状态的物理量，而在实际工程中和科学实验中，很多物理量是连续

24、变化的，只能采用非平衡电桥才能测量；非平衡电桥的基本原理是通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，再进行运算处理，从而得到引起电阻变化的其它物理量，如温度、压力、形变等。本次设计中实验仪上的电桥平衡网络单元主要为了补偿不等位电势（不平衡电势）、提供组桥插座、标准电阻和直流调平衡网络，即在连好电路打开主副电源后，调W1电位继使系统电压输出为零，补偿不等位电势，以免在后续测量中产生大的误差。4.2.4 霍尔式传感器简介4.2.4.1 霍尔传感器概述霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及

25、其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。4.2.4.2 霍尔传感器工作原理霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通过恒定电流、霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移量，如图4.3所示。 图4.3 霍尔传感器内部原理图霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。当有B作用时，由于洛伦兹力的作用，

26、电子向一边偏转，并使该边积累电子，而另一边则积累电荷，于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转。当电场作用在运动电子上的电场力与洛伦兹力相等时，电子积累便达到动态平衡。这时建立的电场称为霍尔电场，霍尔效应原理图如图4.4所示。图4.4 霍尔效应原理图霍尔电势可用公式（4.1）表示公式（4.1）1）霍尔电压Uh与材料的性质有关n 愈大，Kh 愈小，霍尔灵敏度愈低； n 愈小，Kh 愈大，但n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料2）霍尔电压Uh与元件的尺寸有关。d 愈小，Kh 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出

27、电阻增加。霍尔电压Uh与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。4.2.4.3 霍尔传感器型号分类国产霍尔传感器型号有HZ-1、HZ-2、HZ-3、HZ-4、HT-1、HT-2、HS-1等，其命名方法如图4.5所示。H汉语拼音字母H代表霍尔元件Z锗T锑化铟S砷化铟汉语拼音字母代表霍尔元件材料 阿拉伯字母代表产品序号图4.5图4.5 国产霍尔传感器命名方法4.2.4.4 霍尔传感器的主要特性参数1. 输入电阻Ri和输出电阻RoRi是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，Ro是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为，霍尔传感器的等效电路可如图4.6所

28、示。图4.6 霍尔传感器等效电路2. 额定控制电流Ic和最大控制电流Icm1) 霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流Ic。在相同的磁感应强度下，Ic值较大则可获得较大的霍尔输出，霍尔元件限制Ic的主要因素是散热条件。2) 一般锗元件的最大允许温升Tm80，硅元件的Tm175。当霍尔元件的温升达到Tm时的Ic就是最大控制电流Icm 。3. 不等位电势Uh1) 在额定控制电流Ic之下，不加磁B0时，霍尔电极间的空载霍尔电势Uh0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。一般要求霍尔元件的Uh1mV，好的霍尔元件的Uh可以小于0.1mV。2) 不平衡电势Uh是主要的零位误差

29、。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如图4.7所示，当控制电流I流过时，即使未加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）Uh。图4.7 不平衡电势Uh产生原理图4.2.4.5 霍尔传感器电磁特性霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力P，并将P转换为弹性元件的位移量X，即XKpP，其中系数Kp为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所示，在其工作范围内，BKbX，其中斜率Kb为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是X，这样，霍尔电势Uh与被测

30、压力P之间的关系就可表示为UhKhIBKhIKbKpPKP，式中 KhIKbKpK霍尔式压力传感器的输出灵敏度，具体内部原理及磁场B与位移X的关系分别如（图4.8、图4.9）所示。霍尔元件 N S2X S N图4.8 霍尔式压力传感器内部原理B-XX图4.9 磁场B与位移X关系4.2.4.6 霍尔传感器的基本驱动电路 霍尔元件的基本驱动电路如图4.10所示。 图4.10 霍尔元件基本驱动电路霍尔元件两种驱动电路如图4.11所示。 恒流驱动 恒压驱动 图4.11 霍尔元件两种驱动电路在此次设计中，当霍尔传感器通过恒定电流，将重物放在振动平台正中央时，使得霍尔传感器在梯度磁场中上下移动，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，霍尔电势经放大后与被测重物的重量呈一定的线性关系。4.2.5 差动放大器简介 我们上学期刚学过模拟电子技术基础，了解到差动放大器的作用是放大差模信号，抑制共模信号，在本次设计中由于产生的霍尔电势很小，为减小误差，故用差动放大器将其放大后显示到电压表上。 4.2.6 F/V表简介由于此