多功能电子秤
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机械工程测试技术项目——
多功能电子秤
指导老师：史荣、李玉昆
1、项目背景
电子秤，属于衡器的一种，是利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具。电子秤主要由承重系统（如秤盘、秤体）、传力转换系统（如杠杆传力系统、传感器）和示值系统（如刻度盘、电子显示仪表）3部分组成。按结构原理可分为机械秤、电子秤、机电结合秤三大类。
图2电阻应变片结构图
本电子秤的弹性元件为梁式结构，总共3个。几何形状如下图：
图3弹性元件三维仿真图
本电子秤应变片采用全桥连接的方式，结构如下：
图4全桥连接方式
1、理论计算
a、等强度梁设计
所用梁为悬臂梁，横力弯曲，粱受剪切力和弯矩。由材料力学可知剪力为常量的横力弯曲，可以用弯曲正应力公式来计算其内部应力。
图5梁所受的弯矩图
我们用应变片测量的是梁上下表面的应变，则y=h/2,即最大弯曲正应力发生的点。
对于高h，宽b的矩形截面梁
联立上式，得
εmax=6hlF/bh²
b、量程设计
根据提供的材料Q235钢板厚度为1.5mm，对于等强度梁，要使应力在不同截面上相同，应使l/b=常数，取此常数为3。并由整体尺寸的大小选b=20mm,l=60mm。
c、计算量程
Q235的屈服极限为235MPa。
F=σsbh²/12l
代入数据，得
F=14.69N
换算成质量，得
m=1.50kg
则三根梁可承载4.5kg
d、计算电压变化值
εmax=6Fmaxl/Ebh²
取E=200GPa，得
εmax=587.6*10^（-6）m
对于全桥电路
ΔUy=U0Sg[(εN-(-εN)+εN-(-εN)]
=U0SgεN
将U0=1.5V，Sg=2，εN=587.6*10^（-6）得
ΔUy=1.76mV
电路部分所能识别的最大电压为 40mV，满足设计要求。
e、挠度及转角计算
图6梁受载模型
图7梁受载模型弯矩图
根据材料力学挠曲线近似方程，得
θ=-36Fx/Eh^3+C
V=-18Fx²/Eh^3+Cx+D
代入F=14.69N，E=200GPa，h=1.5mm，l=60mm,Δl=10mm,得
VB=1.88mm
2、结构设计
a、在半径较大的玻璃圆环上测量水的重量，大量程。水杯放在玻璃圆环上，重力分散到三个胶垫上，胶垫将重力传递给弹性元件。弹性元件互成120度，弹性元件上面贴上应变片，组成电桥，并输出电信号给单片机。
图8弹性元件实物照片
图9电子秤内部结构实物图
b、小量程在小盘上测量配料的重量，小量程。配料放在小盘上，重力分散到三个胶垫上，胶垫将重力传递给三个杠杆的一端，三个杠杆成120度旋转对称。杠杆的中部与弹性元件的端部通过铜丝相连，这样重力的效果在杠杆的作用下被放大，最后通过应变片变成电信号输出给单片机。
正是基于电子秤的以上诸多优点，电子秤越来越多的被运用于工业生产和人们的日常生活中。
图1电子秤工作原理图
2、设计目的
茶、咖啡、果汁等等已经成为人们日常生活中不可或缺的饮料，但对于水的质量与配料的的质量的比例，人们却很难掌握。这给人们带来了诸多不便，一方面，配料放多了，加的水的质量必须增加，而人们往往不想喝那么多，最后引起浪费；另一方面，配料的比例过大，人们饮用后，不但没有变的健康，反而因饮料浓度过高而给自己带来伤害。本项目设计的电子秤用于给配置饮料的人提供参考，使他们在配饮料时更加科学。
电子秤具有以下特点：
1、实现远距离操作；
2、实现自动化控制；
3、数字显示直观、减小人为误差；
4、准确度高、分辨率强；
5、称量范围广；
6、特有功能：扣重、预扣重、归零、累计、警示等；
7、维护简单；
8、体积小；
9、安装、校正简单；
10、特种行业，可接打印机或电脑驱动；
11、智能化电子秤，反应快，效率高；
图10杠杆结构实物图
3、功能实现
a、实现称重的基本功能，应变片将重力引起的弹性元件的应变转换成电信号，输出至电路后，经过CPU的处理，显示成数字，便于用户读取。
b、根据用户选定的饮料类型、口味类型计算成对应的所需的水的重量和配料的重量，并显示出来供用户参考。
Fra Baidu bibliotek图11电子秤外观图
四、项目分工
前期方案设计、机械加工等由项目成员共同完成，后期三维图及动画制作由柳斌负责，PPT由褚宏鹏负责，项目说明书由张泽强负责，软件调试由杨乐乐以及王超共同完成。
3、设计方案
本项目设计的电子秤由于测量水与配料的比例，例如茶、咖啡、果汁等等。电子秤有两个量程：大量程用于测量水的重量，小量程用于测量茶叶、咖啡等配料的的重量。
本电子秤使用的传感器为电阻应变片，每个弹性元件上使用4个，总共12片。它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。电阻式应变片传感器是目前国内外应用最广泛的一种传感器。它的体积小，动态响应快，测量精度高，使用简便。
当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。
电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子秤量装置，才能满足并解决现实生活中提出的"快速、准确、连续、自动"称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。
五、心得体会
此次项目的完成过程中，我们得到了老师的大力帮助，在此表示衷心的感谢。通过这个项目，让我们对课本知识有了更深的了解，更加注重实际与理论的结合。此次项目经过设计、加工制作、调试，最终完成了事物的制作，整个过程中我们遇到了很多的问题，但经过团队成员的协商和共同努力下，最终克服了种种困难，达到了预期的目的。在这个项目中，我们既有分工，各自负责自己的一份工作，同时，我们也相互协调，共同努力，增强了我们的团队意识。
多功能电子秤
指导老师：史荣、李玉昆
1、项目背景
电子秤，属于衡器的一种，是利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具。电子秤主要由承重系统（如秤盘、秤体）、传力转换系统（如杠杆传力系统、传感器）和示值系统（如刻度盘、电子显示仪表）3部分组成。按结构原理可分为机械秤、电子秤、机电结合秤三大类。
图2电阻应变片结构图
本电子秤的弹性元件为梁式结构，总共3个。几何形状如下图：
图3弹性元件三维仿真图
本电子秤应变片采用全桥连接的方式，结构如下：
图4全桥连接方式
1、理论计算
a、等强度梁设计
所用梁为悬臂梁，横力弯曲，粱受剪切力和弯矩。由材料力学可知剪力为常量的横力弯曲，可以用弯曲正应力公式来计算其内部应力。
图5梁所受的弯矩图
我们用应变片测量的是梁上下表面的应变，则y=h/2,即最大弯曲正应力发生的点。
对于高h，宽b的矩形截面梁
联立上式，得
εmax=6hlF/bh²
b、量程设计
根据提供的材料Q235钢板厚度为1.5mm，对于等强度梁，要使应力在不同截面上相同，应使l/b=常数，取此常数为3。并由整体尺寸的大小选b=20mm,l=60mm。
c、计算量程
Q235的屈服极限为235MPa。
F=σsbh²/12l
代入数据，得
F=14.69N
换算成质量，得
m=1.50kg
则三根梁可承载4.5kg
d、计算电压变化值
εmax=6Fmaxl/Ebh²
取E=200GPa，得
εmax=587.6*10^（-6）m
对于全桥电路
ΔUy=U0Sg[(εN-(-εN)+εN-(-εN)]
=U0SgεN
将U0=1.5V，Sg=2，εN=587.6*10^（-6）得
ΔUy=1.76mV
电路部分所能识别的最大电压为 40mV，满足设计要求。
e、挠度及转角计算
图6梁受载模型
图7梁受载模型弯矩图
根据材料力学挠曲线近似方程，得
θ=-36Fx/Eh^3+C
V=-18Fx²/Eh^3+Cx+D
代入F=14.69N，E=200GPa，h=1.5mm，l=60mm,Δl=10mm,得
VB=1.88mm
2、结构设计
a、在半径较大的玻璃圆环上测量水的重量，大量程。水杯放在玻璃圆环上，重力分散到三个胶垫上，胶垫将重力传递给弹性元件。弹性元件互成120度，弹性元件上面贴上应变片，组成电桥，并输出电信号给单片机。
图8弹性元件实物照片
图9电子秤内部结构实物图
b、小量程在小盘上测量配料的重量，小量程。配料放在小盘上，重力分散到三个胶垫上，胶垫将重力传递给三个杠杆的一端，三个杠杆成120度旋转对称。杠杆的中部与弹性元件的端部通过铜丝相连，这样重力的效果在杠杆的作用下被放大，最后通过应变片变成电信号输出给单片机。
正是基于电子秤的以上诸多优点，电子秤越来越多的被运用于工业生产和人们的日常生活中。
图1电子秤工作原理图
2、设计目的
茶、咖啡、果汁等等已经成为人们日常生活中不可或缺的饮料，但对于水的质量与配料的的质量的比例，人们却很难掌握。这给人们带来了诸多不便，一方面，配料放多了，加的水的质量必须增加，而人们往往不想喝那么多，最后引起浪费；另一方面，配料的比例过大，人们饮用后，不但没有变的健康，反而因饮料浓度过高而给自己带来伤害。本项目设计的电子秤用于给配置饮料的人提供参考，使他们在配饮料时更加科学。
电子秤具有以下特点：
1、实现远距离操作；
2、实现自动化控制；
3、数字显示直观、减小人为误差；
4、准确度高、分辨率强；
5、称量范围广；
6、特有功能：扣重、预扣重、归零、累计、警示等；
7、维护简单；
8、体积小；
9、安装、校正简单；
10、特种行业，可接打印机或电脑驱动；
11、智能化电子秤，反应快，效率高；
图10杠杆结构实物图
3、功能实现
a、实现称重的基本功能，应变片将重力引起的弹性元件的应变转换成电信号，输出至电路后，经过CPU的处理，显示成数字，便于用户读取。
b、根据用户选定的饮料类型、口味类型计算成对应的所需的水的重量和配料的重量，并显示出来供用户参考。
Fra Baidu bibliotek图11电子秤外观图
四、项目分工
前期方案设计、机械加工等由项目成员共同完成，后期三维图及动画制作由柳斌负责，PPT由褚宏鹏负责，项目说明书由张泽强负责，软件调试由杨乐乐以及王超共同完成。
3、设计方案
本项目设计的电子秤由于测量水与配料的比例，例如茶、咖啡、果汁等等。电子秤有两个量程：大量程用于测量水的重量，小量程用于测量茶叶、咖啡等配料的的重量。
本电子秤使用的传感器为电阻应变片，每个弹性元件上使用4个，总共12片。它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。电阻式应变片传感器是目前国内外应用最广泛的一种传感器。它的体积小，动态响应快，测量精度高，使用简便。
当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。
电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子秤量装置，才能满足并解决现实生活中提出的"快速、准确、连续、自动"称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。
五、心得体会
此次项目的完成过程中，我们得到了老师的大力帮助，在此表示衷心的感谢。通过这个项目，让我们对课本知识有了更深的了解，更加注重实际与理论的结合。此次项目经过设计、加工制作、调试，最终完成了事物的制作，整个过程中我们遇到了很多的问题，但经过团队成员的协商和共同努力下，最终克服了种种困难，达到了预期的目的。在这个项目中，我们既有分工，各自负责自己的一份工作，同时，我们也相互协调，共同努力，增强了我们的团队意识。