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惠斯通电桥称重传感器检测原理

2024年08月06日 交换机 我要评论
@目录惠斯通电桥各个臂上电阻变化时,计算过程如下图所示:电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的,即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应的发生变化,这种现象称为“应变效应”。半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时,其电阻率发生变化的现象。应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件,使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上,构件受力后由于测点发生应变,敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化,再由专用仪器测得其电阻变化大小

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1. 惠斯通电桥原理

惠斯通电桥各个臂上电阻变化时,计算过程如下图所示:

  • 单个臂变化时δv = 1/4(δr/r)
  • 两个臂变化时δv = 1/2(δr/r)
  • 四个臂变化时δv = δr/r
  • 多臂变化时,r1、r3同步增减;r2、r4同步增减
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1.1 应变片

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把电阻应变片作为惠斯通电桥中的电阻,则相应的电路如下图所示。
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1.2 常见电子秤传感器

电子秤传感器种类很多,按照量程范围大致分为

  • 小量程(<5kg):生活中常见的厨房秤、珠宝/黄金秤等
  • 一般量程(<50kg):体重秤等
  • 大量程(>50kg):地磅等

1.2.1 小量程电子秤传感器

一般为悬臂式结构,如下图所示,电阻应变片贴在悬臂的上下两侧
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1.2.2 一般量程电子秤传感器

一般为e型或者g型结构,如下图所示,
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桥臂上贴了两个应变片,为半桥式结构,如下图所示
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内部有两个1kω的应变片,量程为50kg。测量时外侧边施加外力,e字形传感器的应变梁部分和外侧边形成一个方向相反的力,中间的应变梁发生弯曲变形。e型传感器有三种使用方式:

  • 用一只传感器配合外接高精度电阻组成全桥测量,量程为一个传感器的量程:50kg,对外接电阻要求较高;
  • 用两只传感器组成全桥测量,量程为两只传感器的量程之和:100kg;
  • 用四只传感器组成全桥测量,量程为四只传感器的量程之和:200kg;
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2. hx711检测电路

hx711是一款高精度24位a/d转换芯片,集成了稳压电源、片内时钟振荡器、数字通信功能。专为电子秤设计,提高了整机的性能和可靠性。内部框图如下:
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官方推荐原理图设计如下图。淘宝上有很多做好的hx711模块,可以直接买过来做测试使用。
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3. 程序要点

platformio的库中有hx711的驱动和例程,可以方便的调用。
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编程注意:

  • 启动后需要先采集初始值offset,后续实际测量值要减去offset
  • 测量值-offset后,要除以一个scaler,计算出来的值才是实际重量
  • 最好用标准砝码做校准

测试

家里一个厨房秤坏了,拆开检测问题。现象:开机后一直显示0g,无论放多重的物体都是0g。
拆机如下图:
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  1. 拆下来e型传感器单独测试:红白间电阻1k,红蓝间电阻1k,白蓝间电阻2k。正常
  2. 单独将4个e型传感器连接成惠斯通全桥,检测各点电阻:e+与e-电阻2k,v+与v-电阻2k,e+与v-1.5k,e+与v+1.5k,正常。
  3. 将惠斯通全桥接到hx711模块单独测试:发现读取回来的值一直是-8388608。说明e型传感器已经变形,超出测量范围。在开机启动的时候经过去皮处理,就一直显示0g了。
  4. 更换悬臂型传感器到厨房秤电路上后,读数开始变化,不再是0g

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结论:e型传感器坏了,可能是使用过程中放了超过量程的重物,导致传感器永久变形了。

问题

拆解e型传感器如下图所示:
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问题:

  1. 上图中应变片贴在上桥臂上,向下压时,应变片拉长,电阻变大。但是半桥中,应该是一个r变大,一个r变小,如何实现?

参考

  1. https://blog.csdn.net/weixin_41659040/article/details/111753439
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