稱重傳感器在電壓力鍋上的應(yīng)用研究——精確控壓技術(shù)探討

龔盛鵬

（廣東洛貝電子科技有限公司 廣東 523808）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，對烹飪技術(shù)的要求也隨之提高。人們不再單純滿足于美味可口的食物，對食物在烹飪后的營養(yǎng)成分也提出了相應(yīng)的要求。怎樣才能保證食物在烹飪過程中最大限度地保留住營養(yǎng)成分呢？人們從烹飪時(shí)的火候（溫度）、時(shí)間、壓力等多方面入手，結(jié)合各種食物的特性，分別總結(jié)出了不同食物在烹飪過程中的最佳火候、時(shí)間、壓力等烹飪參數(shù)特性。

近些年家電技術(shù)的發(fā)展，給這種要求的實(shí)現(xiàn)帶來了可能，特別是電壓力鍋技術(shù)的不斷革新，給烹飪也帶來了一種全新的烹飪方法——壓力。然而，在實(shí)際過程中，不同食物的營養(yǎng)成分在不同的壓力情況下的反應(yīng)不盡相同。食物中有些營養(yǎng)成分在烹飪中被高溫高壓所破壞；有些營養(yǎng)成分在一定的壓力下，并不能全部釋放。為了解決這一情況，現(xiàn)有些電壓力在設(shè)計(jì)中，采用多個(gè)壓力開關(guān)組合[1]，實(shí)現(xiàn)了分段壓力調(diào)節(jié)控制，也即是將原電壓力鍋上的單一烹飪壓力，分成高、中、低等不同的壓力階段，來解決并滿足不同食物在烹飪中所需壓力不同的這一問題。這一技術(shù)雖解決了部分食物的合理烹飪壓力，但因壓力開關(guān)是機(jī)械性的控制裝置，因此，也不能從根本上滿足各種食物的烹飪要求。

為解決這一根本性的烹飪技術(shù)要求，還是需要在電壓力鍋上實(shí)現(xiàn)無極調(diào)壓技術(shù)——即人們在用電壓力鍋烹飪時(shí)，可設(shè)定自己所需的任何壓力值。要在電壓力鍋上實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，可采用壓力傳感器結(jié)合家電控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)起來不難，但壓力傳感器現(xiàn)多用于航空航天及軍工或工業(yè)產(chǎn)品上，一只壓力傳感器至少上百元的成本，應(yīng)用于電壓力鍋上，在成本上不夠?qū)嶋H。怎樣才能找到一種方法或技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓力鍋的無極調(diào)壓技術(shù)，且成本低廉，便于生產(chǎn)呢？本文以稱重傳感器的特性，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合家電控制技術(shù)，較好的解決了這一問題。

圖1 惠斯頓電橋原理

圖2 橋式重力傳感器

圖3 設(shè)計(jì)方案一結(jié)構(gòu)圖

2 稱重傳感器的稱重原理[2][3]及用于電壓力鍋測量壓力的原理

稱重傳感器是使用地點(diǎn)的重力加速度（g）和空氣浮力（f）的影響后，通過把其中一種被測量（質(zhì)量）轉(zhuǎn)換成另外一種被測量（輸出）來測量質(zhì)量的力傳感器。以金屬材料為轉(zhuǎn)換元件的電阻應(yīng)變計(jì)，其轉(zhuǎn)換原理是基于金屬電阻絲的電阻——應(yīng)變效應(yīng)。所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體（電阻絲）的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。

稱重傳感器的工作原理：

（1）兩個(gè)典型的力學(xué)模型

當(dāng)F＞0時(shí)，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被壓縮，阻值減小。

（2）惠斯頓電橋

在應(yīng)變計(jì)的電測技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的測量電路是惠斯通電橋電路。測量電橋由于具有靈敏度高、測量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此能很好地滿足應(yīng)變測量的要求。

電橋根據(jù)電源的性質(zhì)分直流電橋和交流電橋兩種，當(dāng)Ui為直流時(shí)該電橋?yàn)橹绷麟姌?。電橋電路如圖1所示，它的四個(gè)橋臂由R1、R2、R3、R4組成，當(dāng)橋臂電阻的阻值發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著發(fā)生變化。通過電壓信號(hào)的變化大小，從而稱出物體重量。

稱重傳感器根據(jù)其形狀和用途不同，有很多種形式，本文所用的是一種一端用于裝配固定形成懸臂梁的橋式重力傳感器。如圖2。

基于稱重傳感器的這種工作原理，應(yīng)用于電壓力鍋上來測量鍋內(nèi)壓力（實(shí)際上應(yīng)是壓強(qiáng)）的基本原理就是：鍋內(nèi)加熱產(chǎn)生氣體壓強(qiáng)，經(jīng)機(jī)構(gòu)作用于傳感器上，使傳感器產(chǎn)生力學(xué)形變，進(jìn)而引起電阻應(yīng)變，最后經(jīng)中央處理器將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化成或換算成壓強(qiáng)，再輸出。

稱重傳感器獲得重力信號(hào)不外乎有兩種形式：一是用一種轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將鍋內(nèi)壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為力，這個(gè)力再作用于傳感器上；另一種是通過外鍋的彈性位移，作用于傳感器上，以通過電路轉(zhuǎn)化，最后把壓力顯示出來。

3 稱重傳感器應(yīng)用于電壓力鍋上測量壓力的兩種設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)方案一

電壓力鍋在烹飪時(shí)，內(nèi)部形成一個(gè)密封的烹飪空間，空間內(nèi)的壓力（壓強(qiáng)）直接作用于食物，因此，關(guān)鍵是將這壓力精確地反映出來。本方案采用鍋內(nèi)壓力作用于活動(dòng)頂桿，活動(dòng)頂桿將力作用于傳感器，經(jīng)中央處理器，最后將處理后的信號(hào)還原成壓力顯示出來。

具體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，包括有：鍋蓋、鍋體、加熱器和主控制單元。鍋蓋包括外蓋、內(nèi)襯蓋、和不銹鋼蓋。在不銹鋼蓋上開設(shè)有通孔用于固定螺母活塞套，螺母活塞套底部上有密封溝槽，密封溝槽中放置有O型密封圈，螺母活塞套裝于鍋蓋上后起密封作用。螺母活塞套外徑上有螺紋，穿過不銹鋼蓋上的通孔后，與鎖緊螺母相連，從而將螺母活塞套固定在不銹鋼蓋上。螺母活塞套為一中空結(jié)構(gòu)，活動(dòng)頂桿裝配其中，與螺母活塞套過渡配合?；顒?dòng)頂桿上設(shè)有環(huán)形密封圈，與螺母活塞套內(nèi)腔密封，防止漏氣。這樣，活動(dòng)頂桿就可在螺母活塞套內(nèi)腔中自由活動(dòng)，活動(dòng)頂桿與螺母活塞套內(nèi)腔就如同活塞與氣缸一樣。

稱重傳感器固定在不銹鋼蓋或內(nèi)襯蓋或外蓋這些不會(huì)發(fā)生位移的剛體上，受力端下方與活動(dòng)頂桿頂部相接觸。鍋內(nèi)的壓強(qiáng)作用于活動(dòng)頂桿的底端面，產(chǎn)生向上的推力，推動(dòng)活動(dòng)頂桿向上運(yùn)動(dòng)，將力傳遞給稱重傳感器。

其測量原理如下：鍋內(nèi)產(chǎn)生壓強(qiáng)P，作用于活動(dòng)頂桿的底端面，活動(dòng)頂桿的底端面面積為S，因此，活動(dòng)頂桿獲得向上的推力為F1=PS。因活動(dòng)頂桿自身重量以及與內(nèi)腔的摩擦力為恒定值，為準(zhǔn)確反應(yīng)鍋內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)，故可在實(shí)際程序中加入傳感器受力的系統(tǒng)誤差，此值設(shè)為F’。電壓力鍋起壓工作時(shí)，當(dāng)中央處理器獲得的傳感器受力信號(hào)大于一起始定值F0（相當(dāng)小，起決于傳感器的最小應(yīng)變值和電路中的放大信號(hào)）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)修正傳感器的受力值為F1+F’，即傳感器獲得推力為F1+F’，傳感器獲得推力后，產(chǎn)生應(yīng)變電信號(hào)，經(jīng)中央處理器處理后，反向?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成壓強(qiáng)輸出，其應(yīng)用公式為P=（F1+F’）/S。因此，顯示或輸出的壓強(qiáng)實(shí)際值為P=（F1+F’）/S。當(dāng)最后程序結(jié)束，卸壓至鍋內(nèi)壓強(qiáng)為零時(shí)，中央處理器獲得傳感器的受力信號(hào)等于或小于起始值F0時(shí)，系統(tǒng)即不考慮F’，即獲得的力為0，所輸出的顯示壓力也為0，與鍋的實(shí)際壓力相等。因此，中央處理器輸出的壓強(qiáng)值能準(zhǔn)確地反應(yīng)鍋內(nèi)實(shí)際的壓強(qiáng)值。

圖4 設(shè)計(jì)方案一中A部分結(jié)構(gòu)放大圖

圖5 設(shè)計(jì)方案二結(jié)構(gòu)圖

圖6 設(shè)計(jì)方案二中A部分結(jié)構(gòu)放大圖

電壓力鍋工作時(shí)，中央處理器輸出的壓強(qiáng)值時(shí)時(shí)與用戶所設(shè)定的壓強(qiáng)值比較。當(dāng)輸出的壓強(qiáng)值P等于或大于用戶預(yù)設(shè)的壓強(qiáng)值時(shí)，系統(tǒng)停止加熱；當(dāng)輸出的壓強(qiáng)值P小于預(yù)設(shè)值時(shí)啟動(dòng)加熱器加熱。壓力開關(guān)在此設(shè)計(jì)中，僅作為一道安全屏障，當(dāng)且僅當(dāng)程序或內(nèi)部原器件失效后，壓力持續(xù)升高，壓力開關(guān)斷開，以切斷電源。因此，可精確實(shí)現(xiàn)對鍋內(nèi)壓力的控制，以期達(dá)到無極調(diào)壓，滿足不同食物烹飪所需的不同壓力的目的。

采用該控制方法，將硬件固有的系統(tǒng)誤差在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中予以校正，既有效提高了控制的精確性，同時(shí)也避免了采用結(jié)構(gòu)上或者電路上的矯偏措施所帶來的成本增加、故障點(diǎn)增加的問題，既保證了壓力控制的精度，也保證了結(jié)構(gòu)的簡單，使電壓力鍋具有良好的可靠性。

3.2 設(shè)計(jì)方案二

將稱重傳感器固定在底部，如外罩底部或底座上，稱重傳感器與外罩底部固設(shè)的傳力銷釘或發(fā)熱盤上的傳力柱相接觸。當(dāng)鍋內(nèi)產(chǎn)生壓力，作用于發(fā)熱盤，發(fā)熱盤將壓力作用于外罩上，使外罩產(chǎn)生彈性形變，這樣，外罩底部下移，將力傳給稱重傳感器，傳感器將獲得的信號(hào)傳送給中央處理器。同方案一的原理一樣，實(shí)現(xiàn)精確控壓。結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

與方案一比較，因方案二將稱重傳感器下置，傳感器所受力除來自鍋內(nèi)的壓力外，還受鍋內(nèi)食物多少（重量）及溫度的影響，系統(tǒng)誤差較大，且不是一個(gè)恒定值，稱重傳感器所測定出的重量與實(shí)際偏差較大，不能準(zhǔn)確地反映鍋內(nèi)實(shí)際壓強(qiáng)值，因此，只能粗略反映鍋內(nèi)壓力大小。但方案一在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮氣密性及系統(tǒng)誤差。

4 精確控壓的其他方案

隨著技術(shù)的發(fā)展，電壓力鍋精確控壓涌現(xiàn)出多種技術(shù)，以滿足人們生活水平不斷提高的要求。

人們利用可變電容[3]，以位移大小改變電容量大小的原理，將電壓力鍋內(nèi)產(chǎn)生壓強(qiáng)引起的彈性形變轉(zhuǎn)換成位移，再將這位移作用在可變電容上，以改變電容中第一級(jí)板與第二極板的距離的大小來改變電容的大小，以產(chǎn)生變化的電信號(hào)，最后將變化的電信號(hào)還原成壓力，以期來實(shí)現(xiàn)或反映電壓力鍋工作時(shí)，鍋內(nèi)的實(shí)際壓力。

類似原理還可利用電磁線圈與鐵芯所組成的電感變化法來實(shí)現(xiàn)精確控壓。電壓力鍋內(nèi)產(chǎn)生的壓強(qiáng)，引起的彈性形變，經(jīng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與電磁線圈中的鐵芯相連，鐵芯在線圈中可自由伸縮，電磁線圈固定在電壓力鍋的不動(dòng)剛體上。這樣，電壓力鍋的彈性形變所引起的位移，時(shí)時(shí)帶動(dòng)鐵芯發(fā)生位移，使伸進(jìn)電磁線圈中的鐵芯長度不一，從而引起電磁線圈的電感量隨位移的大小變化而變化，產(chǎn)生變化的電信號(hào)。以位移的大小，變化的不同的電感，來反映鍋內(nèi)的壓力，以達(dá)到精確控壓的目的。

以上幾種方案，以電壓力鍋彈性形變所引起的位移大小，經(jīng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)或測試裝置來反應(yīng)鍋內(nèi)壓力的實(shí)際大小，在原理上基本可以實(shí)現(xiàn)。但受材料，溫度，生產(chǎn)裝配工藝的一致性等多方面影響，所存在的系統(tǒng)誤差相當(dāng)大，且還受偶然誤差的影響。因此，很難真實(shí)精確地反映出鍋內(nèi)的實(shí)際壓力，在應(yīng)用上還需進(jìn)一步完善。

5 結(jié)語

本文剖析了幾種實(shí)現(xiàn)精確控壓的技術(shù)，希望能給同行起到“拋磚引玉”的作用，期待這一技術(shù)早日能成為一種主流技術(shù)！

[1]中國專利：CN201020678973.8

[2]王琦.電阻應(yīng)變式稱重傳感器的設(shè)計(jì).木材加工機(jī)械.2005年第3期

[3]王傳文.稱重傳感器的工作原理及故障檢測.化學(xué)分析計(jì)量，2002年，第11卷，第4期

[4]中國專利：CN 200720158958.9，CN 200910015149.6