本文介紹了 RC、RL 惰性電路及其構成相應 R、L 傳感器的原理，系統組成及技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了作為 RL 惰性電路 L 元件的螺旋彈簧電感線(xiàn)圈在電子秤、傳感器制造中的應用。介紹了螺旋彈簧電感線(xiàn)圈《數字顯示人體身高體重測量?jì)x》應用產(chǎn)品。探討了螺旋彈簧電感線(xiàn)圈在稱(chēng)重傳感器制造中的應用前景。

一、引言

筆者在 2001 年授權的實(shí)用新型專(zhuān)利《一種傳感器》⑴中設計的利用RC、RL惰性電路制造電阻、電容、電感傳感器的技術(shù)方案，其中RC惰性電路近十年來(lái)在家用衡器制造中得到廣泛應用。RL惰

性電路在傳感器制造中的應用原理，筆者已在發(fā)明專(zhuān)利《繞制用于彈簧線(xiàn)圈傳感器的螺旋彈簧電感線(xiàn)圈的方法》⑵中公開(kāi)；作為RL惰性電路中L元件的螺旋彈簧電感線(xiàn)圈在長(cháng)度（位移）測量方面的一個(gè)應用，已開(kāi)發(fā)出數字人體身高測量?jì)x科研樣品，現正尋求和有關(guān)企業(yè)協(xié)商生產(chǎn)事宜。螺旋彈簧電感線(xiàn)圈作為稱(chēng)重（測力）傳感器的應用還處于探討、研究、試驗階段。

二、電路原理

R、C、L 是電子電路中三個(gè)基本的無(wú)源元件，由 RC 或 RL 串聯(lián)構成的電路，在方波脈沖信號作用下產(chǎn)生的惰性電路波形即周期暫態(tài)電路波形，經(jīng)由 R、C 構成的積分電路積分后變?yōu)橹绷麟妷狠敵?，直流電壓的變化與敏感元件 R（如電阻應變計）、C 或 L（如螺旋彈簧電感線(xiàn)圈）所感受的被測物理量的變化成比例關(guān)系，通過(guò)測量該電壓達到測量被測物理量的目的。

三、系統組成

由方波脈沖信號源、固定電阻、電感和電容中的一個(gè)元件與電阻、電感和電容敏感元件中的一個(gè)敏感元件串聯(lián)構成的惰性電路、脈沖變換電路組成，方波脈沖信號源的輸出端與惰性電路的一端及脈沖變換電路的控制端連接，惰性電路的另一端接地，惰性電路的共接點(diǎn)為輸出端與脈沖變換電路的輸入端連接，其輸出端與其它顯示部件或數據處理器連接。圖 1、圖 2 為組成本系統的電路圖.

圖 1 為由固定電阻 R2、敏感元件電感 L1 構成的惰性電路的傳感器的電路原理圖。

傳感器由方波脈沖信號源、固定電阻、敏感元件電感、脈沖變換電路組成。方波脈沖信號源由方波振蕩發(fā)生器 IC1、電阻 R1、R5、晶體 JZ、電容 C1、C2、三級管 G1 組成，惰性電路由敏感元件電感 L1、固定電阻 R2 串聯(lián)組成。脈沖變換電路由三級管 G2、模擬開(kāi)關(guān) IC2、電阻 R3、R4、電容 C3 組成，方波脈沖信號源的輸出由 IC1 的 7 腳上的 G1 的發(fā)射極 e 與惰性電路的一端連接，惰性電路的輸出端固定電阻 R2 與敏感元件電感 L1 的共接點(diǎn)與脈沖變換電路的輸入端 G2 的基極 b 連接，惰性電路的另一端接地，IC2 的控制輸入端 IC2 的 13 腳與方波脈沖信號源中的 IC1 的 7 腳連接，脈沖變換電路的輸出端 R4、C3 的共接點(diǎn)與其它顯示部件或數據處理器連接。

在由方波脈沖信號源 IC1 的周期方波脈沖信號觸發(fā)下，它把敏感元件 L1 所感受到的被測物理量的變化轉換為周期暫態(tài)電路變化信號，即周期微分信號或積分信號，并將這種變化的信號送入脈沖變換電路 G2，脈沖變換電路 G2 將惰性電路送來(lái)的周期暫態(tài)電路信號進(jìn)行變換，被其模擬開(kāi)關(guān) IC2取出暫態(tài)波形中貯能波形即充電波形部分，由脈沖變換電路中的 R4、C3 構成的積分電路積分后變?yōu)橹绷麟妷狠敵?，該直流電壓的變化與敏感元件 L1 所感受的被測物理量的變化成比例關(guān)系，通過(guò)測量電壓達到測量被測物理量的目的。直流電壓可用被連接的顯示部件直流電壓表讀出，也可經(jīng)A—D 轉換為數字量后，可供直接顯示或供計算機作數字處理。如將圖 1 中的 R2 改換成固定電容C5，L1 改換成敏感電阻 R7，如圖 2 所示，則該圖為由固定電容 C5、敏感元件電阻 R7 構成的惰性電路的傳感器的電路原理圖。

四、技術(shù)特點(diǎn)

電路結構簡(jiǎn)單、組合靈活、生產(chǎn)成本低，用同一種轉換電路配用不同的敏感元件如電阻、電感或電容及其組成的相應惰性電路就能組成相應的電阻、電感或電容傳感器。為傳感器的集成化、小型化、智能化和多功能化提供了可能。

五、應用效果

以上介紹的實(shí)用新型專(zhuān)利《一種傳感器》⑴，筆者于 2000 年 5 月 26 日申請，2001 年 2 月 17日授權。后因 2004 年又申請了發(fā)明專(zhuān)利《繞制用于彈簧線(xiàn)圈傳感器的螺旋彈簧電感線(xiàn)圈的方法》⑵并在專(zhuān)利中發(fā)明了螺旋彈簧電感線(xiàn)圈而放棄了該專(zhuān)利權。根據有關(guān)資料介紹和我在有關(guān)企業(yè)的有限了解，近十年來(lái)RC惰性電路，包括以R（電阻應變計）為敏感元件和以C為敏感元件的RC惰性電路在家用衡器制造中得到了廣泛應用。

RL惰性電路的應用和前景：筆者 2004 年在發(fā)明專(zhuān)利《繞制用于彈簧線(xiàn)圈傳感器的螺旋彈簧電感線(xiàn)圈的方法》⑵中發(fā)明的螺旋彈簧電感線(xiàn)圈（作為RL惰性電路的敏感元件L）具有廣闊的應用前景。由螺旋彈簧電感線(xiàn)圈構成的彈簧線(xiàn)圈傳感器利用機械螺旋彈簧本身所具有的機械和電子的雙重屬性，把它既作為機械零件同時(shí)又作為電子元件（可變電感線(xiàn)圈）使用，構成輸出與被測量成比例關(guān)系的數字量的彈簧線(xiàn)圈傳感器。賦予了機械螺旋彈簧新的功能和應用領(lǐng)域。作為機——電轉換新型實(shí)用的基礎接口器件，可直接或通過(guò)其制造成不同用途的系列應用產(chǎn)品，應用于相應的控制或測量場(chǎng)合。

由于彈簧線(xiàn)圈傳感器的彈簧電感線(xiàn)圈是一個(gè)對幾乎所有的機械量和部分熱工量都具有敏感效應的敏感元件，因而彈簧線(xiàn)圈傳感器原則上能夠對例如位移、力、振動(dòng)、加速度、噪聲、角度、流量、流速等被測量進(jìn)行轉換和測量。通過(guò)改變彈簧線(xiàn)圈繞制的尺寸和性能就能改變彈簧線(xiàn)圈傳感器的功能和用途。廣泛應用于電子秤、以汽車(chē)為代表的交通工具、現代裝備業(yè)、傳統工業(yè)、物流、測量及儀器儀表等諸個(gè)領(lǐng)域。

六、彈簧線(xiàn)圈傳感器的應用

1．彈簧線(xiàn)圈傳感器芯片

目前已完成傳感器通用芯片電路的研制設計，該芯片集敏感、測量、調節、顯示為一體，具有稱(chēng)重、測力和測位移（長(cháng)度）功能。芯片配上不同功能的彈簧電感線(xiàn)圈，就能組成相應用途的終端應用產(chǎn)品。

2．數字顯示人體身高測量?jì)x

成人身高 量程 62cm—195cm，分度值 2mm；

嬰兒身長(cháng) 量程 2cm—60cm，分度值 2mm。

數字顯示人體身高測量?jì)x是彈簧線(xiàn)圈傳感器在長(cháng)度（位移）測量領(lǐng)域的一個(gè)具體應用產(chǎn)品，結構簡(jiǎn)單、體積小、生產(chǎn)成本低。能夠和家用體重秤合為一體成為家庭常用健康測量設備，通過(guò)身高體重的測量值計算并顯示出人的健康（肥胖）指數，售價(jià)定位在 200 元左右是進(jìn)口超聲原理身高體重儀的 1/20，是進(jìn)口激光原理身高體重儀的 1/40。像這種能進(jìn)入家庭的《數顯人體身高體重測量?jì)x》尚屬空白，適用于家庭、幼兒園、中小學(xué)、基層醫療保健、健身、養老機構。圖 3 為彈簧線(xiàn)圈傳感器數字顯示人體身高測量?jì)x科研樣品圖、圖 4 為身高測量示意圖.

3．關(guān)于螺旋彈簧電感線(xiàn)圈稱(chēng)重（測力）傳感器的設計探討

眾所周知彈簧度盤(pán)秤、彈簧數字秤其精度都不高，一般不能作為商業(yè)用秤和工業(yè)用秤。究其原因筆者認為主要有：一是彈簧本身的性能，包括彈簧材料的特性、彈簧的形狀等，二是使用彈簧的方法，往往讓彈簧變形過(guò)大，例如彈簧度盤(pán)秤必須讓彈簧長(cháng)度的變量達到一定的量才能滿(mǎn)足度盤(pán)分度的需要。如將彈簧電感線(xiàn)圈用特殊彈性金屬材料做成如圖 5 所示的柱體螺旋彈簧電感線(xiàn)圈，調整柱體螺旋彈簧電感線(xiàn)圈的剛度使柱體螺旋彈簧電感線(xiàn)圈在稱(chēng)重（測力）時(shí)只產(chǎn)生微小的形變，柱體螺旋彈簧電感線(xiàn)圈的電感量也相應只產(chǎn)生微小的變化，將這一微小變化的電感量送入測量和調節電路進(jìn)行“處理”，就能提高螺旋彈簧電感線(xiàn)圈稱(chēng)重（測力）傳感器的精度級別。

這種柱體螺旋彈簧電感線(xiàn)圈既是承載被稱(chēng)重量的基座，又是一個(gè)在被稱(chēng)重量的作用下能產(chǎn)生電感量變化的電感線(xiàn)圈，這種電感量的變化反映了被稱(chēng)重量。

承載被稱(chēng)重量的基座，相當于應變式傳感器的基座；電感量變化相當于應變式傳感器的應變電阻值的變化；電感線(xiàn)圈相當于應變式傳感器的電阻應變計。

這種柱體螺旋彈簧電感線(xiàn)圈在制造工藝上可以通過(guò)在線(xiàn)圈中心加入介質(zhì)以增加其電感量，可以在線(xiàn)圈的表面涂屏蔽漆，以屏蔽外界電或磁的干擾.

將圖 5 的柱體螺旋彈簧電感線(xiàn)圈替代圖 1 中的 L1，便成為柱體螺旋彈簧電感線(xiàn)圈稱(chēng)重（測力）傳感器。分析方法同前圖 1 的分析方法，此處省略。

本設計方案提出來(lái)與各位專(zhuān)家探討，方案的可行性請各位專(zhuān)家不吝指教。本人熱誠希望得到企業(yè)界的支持和幫助，共同研究、試驗、開(kāi)發(fā)。