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摘要：本课题通过对于应变传感器以及智能重力传感器原理的分析与阐述，并设计相关实验进行验证，随后对于实验数据进行分析与思考，构建简易电子秤的理论模型，并提出基于理论模型的相关构想，最后进行总结，对应变传感器深入研究，提升科学素养、培养创新精神。

关键词：应变传感器、智能重力传感器、电子秤、理论模型、构想

一、研究背景

在现代生活中，我们时刻需要传感器来告知我们各种数据，不同的领域需要不同类型的传感器进行测量，例如测量人体温度需要红外线传感器，测量大气压强需要气压传感器，等等。而不同的传感器也有不同的工作原理，例如通过内部电路的运行、光的接收与屏蔽等方式，对于相关的指数进行测量。这些数据能够切实帮助我们得到更多信息，以帮助机关进行相关政策的制定，科研的顺利进行以及学习研究。

二、关于应变传感器的实验步骤

2.1实验器材总览

2.1.1硬件

主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线、金属箔式应变传感器、配套实验箱（包括Cortex-M4实验模块、TPM显示屏）。

2.1.2软件

MatLab软件、Demo程序

2.2金属箔式应变片——全桥性能实验

1、差动放大器调零

将实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，用导线将两输入口短接（Vi＝0）；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

2、电桥调零

恢复实验模板上放大器的两输入口接线，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零。

3、应变片全桥实验

在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。实验结果填入表2-3，画出实验曲线。

4、实验完毕，关闭电源。

2.3实验步骤

①安装、接线

在电源关闭状态下接线；放大器输出电压V02暂时不要接入Cortex-M4实验模块上的A/D输入端；Cortex-M4实验模块通过J-link口与计算机连接，开关K0选择GPIO（拨向上），接驳配套的实验箱（实验箱电源暂时关闭）。

实验电路使用了主机箱的±4V电源、±15V电源、电压表以及配套的实验箱（包含Cortex-M4实验模块），接线时要将±4V电源、±15V电源的地端和电压表的负端（地端）、实验箱的电源地端连接在一起（共地）。

②放大器调增益、调零

将图3-5中应变传感器模块上仪器放大器的两输入端口（IC1、IC2正端）引线暂时脱开，并用导线将其短接（Vi＝0）；

调节放大器增益电位器RW3使增益最大（顺时针旋转到底）；

将主机箱电压表的量程开关切换到2V档，合上主机箱电源开关；

调节放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零；

再将电压表量程开关切换到200mV档，继续调零。

③电桥调零

拆去仪器放大器输入端口的短接线，复原电桥输出与仪器放大器输入端暂时脱开的引线；

当托盘载荷为零时，调节应变传感器模板上的电桥平衡电位器RW1，使电压表显示为零（同样将电压表的量程开关依次切换到2V档和200mV档进行调零）。

④满量程调节

将主机箱上的电压表量程开关切换到20V档；在托盘上放入200g砝码，调节放大器增益电位器RW3，使满量程时放大器输出电压V02不超过A/D转换器允许的最大输入3.3V，同时为了减小后端ADC的量化误差，使输出接近3.3V（如3.2V左右）；

如果放大器增益调节至最大时（RW3顺时针旋转到底），放大器输出电压仍然较小，可以增加一级放大器；

托盘载荷为零时，调节放大器调零电位器RW4，使输出接近0V（如0.1V左右）；

反复交叉调节放大器增益（托盘载荷为200g时调节RW3，使输出接近3.3V如3.2V左右）和放大器零位（托盘载荷为零时调节RW4，使输出接近0V如0.1V左右），直至符合要求为止。

⑤系统调试

将放大器输出电压V02接入A/D输入端——Cortex-M4实验模块上的PB0连接孔（PB0即ADC-CH8）；合上配套实验箱的电源开关；

设计、调试A/D转换程序，运行A/D转换程序（程序下载后，按S9复位键即可），按照表在托盘上放置砝码、记录数据；

利用MatLab对这11组数据进行最小二乘法线性拟合，得到重力计算公式（非线性校正与标度变换关系式）；

设计系统程序（修改A/D转换程序）：在得到A/D转换有效值后，将其代入重力计算公式，即得到被测重力，再将被测重力在TFT彩屏上显示。

三、实验结论与分析

3.1结合两则实验与数据得出的结论

3.1.1金属箔式应变片——全桥性能实验中的结论与分析

在金属箔式应变片——全桥性能实验中，我们按照实验步骤得到了下列数据。

根据表3-1，我们绘制了V（单位：mV）-m（单位：g）图像。

由所有数据拟合图像，大致的图像为一条直线，其函数解析式为V=0.637x-1.600，因此我们大致可以得到：压变式传感器中的电压与物体重量成正比关系，且ΔV=Δm。那么也就是说，通过实验得到相关的V与m之间关系的相关参数，即可完善简易电子秤制备中的软件参数部分，使得到的结果更为精准。

现根据实验得知，原先的参数偏大，对于程序中的参数进行修改，重新保存到软件中，并下载到显示屏的程序中，重复步骤，会发现所测得的W（g）质量值比原先更精准一些。共重复2次上述步骤后，W（g）值会在两次较准中得到精准度的提高。我们所最终得到的数据如下表所示：

根据表3-2的数据进行拟合，得到显示重力与砝码质量的关系，如下图所示：

由图3-4知显示重力与砝码质量几乎成线性关系，且二者基本上对应相等。其函数解析式为：W=0.999m+1.494.

3.2实验误差分析

3.2.1误差数据具体化分析

观察表中4-3的数据，我们不难发现在待测物质量在0～5g之间的误差较大，最大的误差在0g时取到了3.13g，误差+3.13g；而在10g及以上的待测物普遍误差较小，最小的误差在33g时取到了33.77g，误差+0.77g。那么，为何会出现误差呢？我们对此问题进行了思考和深入探究。

3.2.2产生误差的原因

资料显示，以下几点可能使得误差产生。

①温度、湿度等环境影响

电子秤的称重传感器是基于压变式原理制成，而温度和湿度的改变会改变称重传感器材料的特性，进而影响其测量的准确性。特别是在极端温度或潮湿环境下，电子秤的精度受到的影响会更明显。

②振动

环境中的振动也可能对电子秤的准确性产生影响。振动会干扰电子秤的传感器和电路，导致测量结果的波动。

③非正常使用

例如倾斜使用等。

④未进行定期校准

长期使用和外界因素的影响可能会使应变片的性能下降，从而引起测量误差。

⑤物理（表面或器件）磨损

在本次实验中，我们实验时控制了温度与湿度几乎保持不变，正常使用，本实验器具也并未经过过长时间的使用。因此，最有可能出现的应当是振动的影响，电子秤附近存在各种波，例如人发出的声波，电脑、总机等电器发出的电波等，波通过振动产生，因此我们认为是环境中的振动使得电子秤出现了一定量的偏差。

3.4简易电子秤理论模型及其应用

3.4.1Cortex-M4实验模块

其中，片内ADC为模数转换器，将电信号转换为数字信号；Cortex-M4微处理根据程序中的参数进行相关计算，得到W（测得质量）的值。

3.4.2TMP显示屏

TMP显示屏可以接收来自PC机传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息不经任何变化地显示出来[7]。

3.4.3模型组合

将全桥电路连接的应变传感器（应变传感器的内外部电路参见图2-2、2-3）与Cortex-M4实验模块和TMP显示屏以不同数据线相连接，在Demo程序中设置好参数并下载至传感器，即可完成简易电子秤的制作。

3.4.4简易电子秤的实际应用

这样制作的简易电子秤能够作为家用电子秤进行使用，测量在0～200g范围内的小物件的质量，方便快捷。

四、结论

通过简单的材料和步骤，可以制作出简易的电子秤，并对于一些特殊情况与功能进行相关构想。这种秤可以进行基本的重量测量，虽然精度不如专业秤高，但对于日常生活中的一些需求已经足够。电子秤的误差补偿对于测量结果的准确性至关重要。通过调整电路参数和使用更高精度、更大测量范围的传感器，可以使电子秤的测量精度达到更高的水平。其次，为避免环境因素对电子秤计量结果的影响，在计量过程中，应合理选择计量场地，尽量避免电子秤受外界的过度干扰，如风力过大、震动强烈和温度较大变化等，另外，电子秤在长期使用后可能会出现漂移或系统误差，为了确保电子秤的准确性，需要根据使用情况制定合理的校准周期。

参考文献：

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[7]陈凯.基于GSM的智能停车场管理系统的研究[D].武汉工程大学，2011.

[8]郭静，潘秋月，马利，等.基于电测法的电子秤设计与标定实验[J/OL].实验室研究与探索1-5[2024-07-30].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1707.T.20240712.1741.068.html.