电子秤的工作原理：传感器如何将重量转化为电信号

称重传感器。其中，应变片式电阻传感器是最常用、最经典的类型。其工作原理基于金属的应变效应和惠斯通电桥电路。

以下是详细的工作原理步骤：

核心元件：弹性体与应变片

• 弹性体： 传感器内部有一个特殊设计的金属结构（通常是合金钢或铝合金），称为弹性体。它的形状经过精心设计（如S型、双孔平行梁式、悬臂梁式、柱式等），使其在受力时能发生可预测的、微小的弹性形变（弯曲、压缩或拉伸）。
• 应变片： 在弹性体最容易发生形变的关键位置（通常是应力集中区），牢固地粘贴着应变片。应变片是一种非常薄的绝缘基底（如聚酰亚胺薄膜）上蚀刻出的特殊金属电阻丝或箔栅（常用康铜或镍铬合金）。其电阻值会随着其长度的微小变化而发生改变。

重量施加：形变发生

• 当物体放在秤盘上时，其重力通过秤盘传递到传感器内部的弹性体上。
• 弹性体在重力的作用下发生微小的、可控的弹性形变（弯曲、压缩或拉伸）。这个形变量非常微小，通常在微米级别。

应变效应：电阻变化

• 粘贴在弹性体上的应变片会随着弹性体一起发生形变。
• 当应变片被拉伸时，其内部的金属丝/箔栅长度增加，横截面积减小，导致电阻值增大。
• 当应变片被压缩时，其长度缩短，横截面积增大，导致电阻值减小。
• 电阻的变化量（ΔR）与应变片的应变量（ε = ΔL / L，即长度的相对变化量）成正比，关系式为：ΔR / R = K * ε，其中R是原始电阻，K是应变片的灵敏系数（由材料决定，通常约为2）。

惠斯通电桥：将电阻变化转化为电压变化

• 单个应变片的电阻变化量很小，产生的信号微弱且易受干扰。为了精确测量这个微小的变化并补偿温度等因素的影响，通常将四个应变片连接成一个惠斯通电桥电路。
• 典型配置：
  • 两个应变片粘贴在弹性体受拉区域（R1, R3）。
  • 另外两个应变片粘贴在弹性体受压区域（R2, R4），或者使用固定电阻作为补偿（但全桥使用四个应变片性能最佳）。
• 电桥平衡： 当没有重量施加时（零点），精心设计使得R1/R2 = R3/R4，电桥处于平衡状态，输出端（Vout）的电压差为0。
• 电桥失衡： 当施加重量时：
  • 受拉的应变片（R1, R3）电阻增加。
  • 受压的应变片（R2, R4）电阻减小（或固定电阻不变）。
  • 这种变化破坏了电桥的平衡条件（R1/R2 ≠ R3/R4）。
  • 在电桥的激励电压输入端（Vin）施加一个稳定的直流电压（如5V或10V）。
  • 由于电阻的不平衡，电桥的两个输出端之间会产生一个微小的差分电压（Vout）。这个电压差的大小与施加的重量（即弹性体的形变量，也就是应变片的应变量）成正比。

信号调理：放大与滤波

• 惠斯通电桥输出的差分电压信号（mV级别）非常微弱（通常是毫伏级），并且可能混杂有噪声。
• 仪表放大器： 使用高精度、低噪声、高共模抑制比的仪表放大器对这个微弱的毫伏级信号进行放大，使其达到伏特级别（如0-5V），便于后续处理。
• 滤波器： 通常会加入低通滤波器，滤除高频噪声（如电源干扰、电磁干扰等），提高信号质量。

模数转换：将模拟信号数字化

• 放大和滤波后的信号是连续的模拟电压信号。
• 模数转换器： 使用模数转换器将连续的模拟电压信号离散化，转换成一串数字信号（二进制代码）。ADC的分辨率（如16位、24位）决定了电子秤的精度和可分辨的最小重量变化。

微处理器处理与显示

• 微控制器/微处理器： 接收ADC输出的数字信号。
• 数据处理： 执行以下关键任务：
  • 校准计算： 应用存储在内存中的校准参数（零点偏移、满量程增益等），将原始数字信号转换为准确的重量值。校准过程通常需要已知重量的砝码。
  • 单位转换： 将重量值转换为用户选择的单位（克、千克、磅、盎司等）。
  • 去皮功能： 减去容器（如碗、托盘）的重量。
  • 滤波与稳定： 对数据进行数字滤波（如移动平均）以消除瞬时抖动，使显示值稳定。
  • 驱动显示器： 将最终计算出的重量数值发送到显示屏（LCD, LED等）进行显示。

总结流程：

重量（重力） → 作用在弹性体上 → 弹性体发生微小形变 → 粘贴的应变片随之形变 → 应变片电阻值改变（应变效应） → 惠斯通电桥失衡产生差分电压 → 微弱电压信号被放大和滤波 → 模拟电压信号被模数转换器(ADC)数字化 → 微处理器接收数字信号并进行校准、计算、单位转换 → 最终重量值显示在屏幕上。

其他类型的传感器（补充）：

• 压电式传感器： 利用某些晶体材料（如石英）在受力时表面产生电荷的特性（压电效应）。电荷量与施加的力成正比。主要用于测量动态力或冲击力，在静态称重（如电子秤）中较少使用，因为电荷会泄漏。
• 电容式传感器： 利用重量引起电容器极板间距离或有效面积的变化，从而改变电容值。通过测量电容变化来推算重量。精度可能较高，但电路相对复杂。
• 电磁力平衡式传感器： 利用电磁力来平衡被测物体的重力。通过测量维持平衡所需的电流来精确确定重量。精度极高，用于高端分析天平，但成本高、结构复杂。

尽管存在其他技术，应变片式电阻传感器因其成本、精度、稳定性、可靠性和易于制造的完美平衡，仍然是商用电子秤（从厨房秤到工业地磅）中最主流的选择。惠斯通电桥电路的设计巧妙地放大了微小电阻变化并提供了温度补偿，是这一技术成功的关键。