问题描述

电子秤具有计量精度高、抗偏载能力强以及易加工、结构简单紧凑等优势，在生活中具有广泛的应用，其工作原理为：采用应变片测量电子秤压力敏感元件的结构变形，后续构建电桥电路，通过采集输出电压信号的幅值实现电子秤的计量。很久很久之前，想要设计一款简易的电子秤，对信号采集系统相关的内容进行巩固，奈何进度一拖再拖，一直到今天才完成推文整理，尴尬~；另一方面，近来新凯师弟需要分析电子秤结构设计的原理，以此为契机重拾旧业，对相关资料进行了整理，具体如下所示：

http://mpvideo.qpic.cn/0bf2gaaauaaa54ankm7xufqfamgdbiyaacqa.f10002.mp4?dis_k=346a99db24a2c3b95238c0d6705c5373&dis_t=1642661825&vid=wxv_1967383055010988037&format_id=10002&support_redirect=0&mmversion=false

视频中展示了电子秤的工作过程：一方面，信号采集模块能够准确的测量电桥输出信号；另一方面，砝码放置于不同位置时，电子秤都能够进行准确的计量；附：相关元件购买于淘宝；

附录：补充材料

附1、电子秤结构设计？

2021年初，在兴趣爱好的驱使下，调研了电子秤产品详细的三维结构图，后续通过3D打印的方式对主要零部件进行了加工，近来对相关的资料进行归纳汇总，具体如下图所示：

图a表述为某款电子秤的整体示意图，广泛应用于实验室药品计量；图b表述为基于solidworks软件绘制的电子秤三维结构图，2021年1月份，采用3d打印的方式对外壳结构进行了加工，具体见图b左下角；图c表述为电子秤实现称重的核心部件，购买于淘宝，花费19元；图d为相应的三维结构图；

附2、电子秤计量原理？

本部分讲解了电子秤的工作原理以及应变片的粘贴方式，分析了产品抗偏载的原因，后续采用有限元分析软件，定性研究了载荷与应变之间的关联，具体如下所示：

图a表述为电子秤的压力敏感元件，主要由双孔悬臂梁结构和4个应变片组成，工作过程中，R1和R3应变片受拉，电阻相应变大，R2和R4应变片受压，电阻相应减小，后续构建电桥电路，通过采集输出的电压信号实现电子秤的计量；图b展示了外载荷作用下，双孔悬臂梁的变形特征，其中，有限元模拟过程中，双孔悬臂梁左侧施加固定约束，右侧（螺栓紧固位置）施加竖直向下的载荷50N；图c展示了载荷与应变之间的关系，通过结构设计，使之呈现明显的线性关系，大大简化系统的标定过程；

电子秤在设计过程中，如何实现抗偏载设计？本部分进行相应的探讨？

图a表述为电子秤的工作过程；图b表述为电子秤工作原理简图：当砝码作用于不同位置时，相当于引入额外弯矩M；图c表述为双孔悬臂梁力学模型简图，依据结构力学知识，当垂直杆刚度远大于水平杆时，外力矩 M 全部由垂直梁承受，平行梁上的附加弯矩为零，该过程中R1和R2应变片电阻值同时增大（变小），R3和R4应变片电阻值同时减小（增大），组成电桥后，不改变输出电压的幅值，进而实现电子秤的抗偏载设计；图d表述为不同偏载模式与应变片电阻变化之间的关系。附：中国运载火箭技术研究院第七O二研究所 刘九卿发表多篇文献，解释了电子秤不同参数与计量误差之间的关联，详细见参考文献；

附3、数据采集模块基本原理？

电子秤数据采集模块的核心内容为：对电桥输出的模拟信号进行采集，后续通过系统标定，将电压信号转换为压力幅值；具体内容如下所示：

图a表述为完成电子秤搭建后的实际效果图，能够对100g砝码进行准确的测量；图b表述为数据采集模块Hx711实物图，采用24位A/D转换芯片，能够支持双通道差分信号输入；图c为Hx711模块相应的原理图；图d为模块元件清单；

附1、问题来源：中科院力学所柔性结构与器件力学课题组；‍

附2、好久好久没有更新了，近来对已有的资料进行汇总；参考资料：平行梁型称重传感器的力学特性，刘九卿；