本文介紹了 RC、RL 惰性電路及其構(gòu)成相應(yīng) R、L 傳感器的原理，系統(tǒng)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圈在電子秤、傳感器制造中的應(yīng)用。介紹了螺旋彈簧電感線圈《數(shù)字顯示人體身高體重測(cè)量?jī)x》應(yīng)用產(chǎn)品。探討了螺旋彈簧電感線圈在稱重傳感器制造中的應(yīng)用前景。

一、引言

筆者在 2001 年授權(quán)的實(shí)用新型專利《一種傳感器》⑴中設(shè)計(jì)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(yīng)用。RL惰

性電路在傳感器制造中的應(yīng)用原理，筆者已在發(fā)明專利《繞制用于彈簧線圈傳感器的螺旋彈簧電感線圈的方法》⑵中公開；作為RL惰性電路中L元件的螺旋彈簧電感線圈在長(zhǎng)度（位移）測(cè)量方面的一個(gè)應(yīng)用，已開發(fā)出數(shù)字人體身高測(cè)量?jī)x科研樣品，現(xiàn)正尋求和有關(guān)企業(yè)協(xié)商生產(chǎn)事宜。螺旋彈簧電感線圈作為稱重（測(cè)力）傳感器的應(yīng)用還處于探討、研究、試驗(yàn)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(gòu)成的電路，在方波脈沖信號(hào)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(gòu)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(yīng)變計(jì)）、C 或 L（如螺旋彈簧電感線圈）所感受的被測(cè)物理量的變化成比例關(guān)系，通過測(cè)量該電壓達(dá)到測(cè)量被測(cè)物理量的目的。

三、系統(tǒng)組成

由方波脈沖信號(hào)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(gòu)成的惰性電路、脈沖變換電路組成，方波脈沖信號(hào)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(shù)據(jù)處理器連接。圖 1、圖 2 為組成本系統(tǒng)的電路圖.

圖 1 為由固定電阻 R2、敏感元件電感 L1 構(gòu)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(hào)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(hào)源由方波振蕩發(fā)生器 IC1、電阻 R1、R5、晶體 JZ、電容 C1、C2、三級(jí)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(jí)管 G2、模擬開關(guān) IC2、電阻 R3、R4、電容 C3 組成，方波脈沖信號(hào)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(hào)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(shù)據(jù)處理器連接。

在由方波脈沖信號(hào)源 IC1 的周期方波脈沖信號(hào)觸發(fā)下，它把敏感元件 L1 所感受到的被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為周期暫態(tài)電路變化信號(hào)，即周期微分信號(hào)或積分信號(hào)，并將這種變化的信號(hào)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(hào)進(jìn)行變換，被其模擬開關(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(gòu)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(cè)物理量的變化成比例關(guān)系，通過測(cè)量電壓達(dá)到測(cè)量被測(cè)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(zhuǎn)換為數(shù)字量后，可供直接顯示或供計(jì)算機(jī)作數(shù)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(gòu)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組合靈活、生產(chǎn)成本低，用同一種轉(zhuǎn)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(yīng)惰性電路就能組成相應(yīng)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(yīng)用效果

以上介紹的實(shí)用新型專利《一種傳感器》⑴，筆者于 2000 年 5 月 26 日申請(qǐng)，2001 年 2 月 17日授權(quán)。后因 2004 年又申請(qǐng)了發(fā)明專利《繞制用于彈簧線圈傳感器的螺旋彈簧電感線圈的方法》⑵并在專利中發(fā)明了螺旋彈簧電感線圈而放棄了該專利權(quán)。根據(jù)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(yīng)變計(jì)）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(yīng)用。

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

由于彈簧線圈傳感器的彈簧電感線圈是一個(gè)對(duì)幾乎所有的機(jī)械量和部分熱工量都具有敏感效應(yīng)的敏感元件，因而彈簧線圈傳感器原則上能夠?qū)缥灰?、力、振?dòng)、加速度、噪聲、角度、流量、流速等被測(cè)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和測(cè)量。通過改變彈簧線圈繞制的尺寸和性能就能改變彈簧線圈傳感器的功能和用途。廣泛應(yīng)用于電子秤、以汽車為代表的交通工具、現(xiàn)代裝備業(yè)、傳統(tǒng)工業(yè)、物流、測(cè)量及儀器儀表等諸個(gè)領(lǐng)域。

六、彈簧線圈傳感器的應(yīng)用

1．彈簧線圈傳感器芯片

目前已完成傳感器通用芯片電路的研制設(shè)計(jì)，該芯片集敏感、測(cè)量、調(diào)節(jié)、顯示為一體，具有稱重、測(cè)力和測(cè)位移（長(zhǎng)度）功能。芯片配上不同功能的彈簧電感線圈，就能組成相應(yīng)用途的終端應(yīng)用產(chǎn)品。

2．?dāng)?shù)字顯示人體身高測(cè)量?jī)x

成人身高 量程 62cm—195cm，分度值 2mm；

嬰兒身長(zhǎng) 量程 2cm—60cm，分度值 2mm。

數(shù)字顯示人體身高測(cè)量?jī)x是彈簧線圈傳感器在長(zhǎng)度（位移）測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)具體應(yīng)用產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)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(cè)量設(shè)備，通過身高體重的測(cè)量值計(jì)算并顯示出人的健康（肥胖）指數(shù)，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(shù)顯人體身高體重測(cè)量?jī)x》尚屬空白，適用于家庭、幼兒園、中小學(xué)、基層醫(yī)療保健、健身、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)。圖 3 為彈簧線圈傳感器數(shù)字顯示人體身高測(cè)量?jī)x科研樣品圖、圖 4 為身高測(cè)量示意圖.

3．關(guān)于螺旋彈簧電感線圈稱重（測(cè)力）傳感器的設(shè)計(jì)探討

眾所周知彈簧度盤秤、彈簧數(shù)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(rèn)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，往往讓彈簧變形過大，例如彈簧度盤秤必須讓彈簧長(zhǎng)度的變量達(dá)到一定的量才能滿足度盤分度的需要。如將彈簧電感線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圈，調(diào)整柱體螺旋彈簧電感線圈的剛度使柱體螺旋彈簧電感線圈在稱重（測(cè)力）時(shí)只產(chǎn)生微小的形變，柱體螺旋彈簧電感線圈的電感量也相應(yīng)只產(chǎn)生微小的變化，將這一微小變化的電感量送入測(cè)量和調(diào)節(jié)電路進(jìn)行“處理”，就能提高螺旋彈簧電感線圈稱重（測(cè)力）傳感器的精度級(jí)別。

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

承載被稱重量的基座，相當(dāng)于應(yīng)變式傳感器的基座；電感量變化相當(dāng)于應(yīng)變式傳感器的應(yīng)變電阻值的變化；電感線圈相當(dāng)于應(yīng)變式傳感器的電阻應(yīng)變計(jì)。

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

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

本設(shè)計(jì)方案提出來(lái)與各位專家探討，方案的可行性請(qǐng)各位專家不吝指教。本人熱誠(chéng)希望得到企業(yè)界的支持和幫助，共同研究、試驗(yàn)、開發(fā)。