称重传感器在电压力锅上的应用研究——精确控压技术探讨

龚盛鹏

（广东洛贝电子科技有限公司 广东 523808）

1 引言

随着人们生活水平的提高，对烹饪技术的要求也随之提高。人们不再单纯满足于美味可口的食物，对食物在烹饪后的营养成分也提出了相应的要求。怎样才能保证食物在烹饪过程中最大限度地保留住营养成分呢？人们从烹饪时的火候（温度）、时间、压力等多方面入手，结合各种食物的特性，分别总结出了不同食物在烹饪过程中的最佳火候、时间、压力等烹饪参数特性。

近些年家电技术的发展，给这种要求的实现带来了可能，特别是电压力锅技术的不断革新，给烹饪也带来了一种全新的烹饪方法——压力。然而，在实际过程中，不同食物的营养成分在不同的压力情况下的反应不尽相同。食物中有些营养成分在烹饪中被高温高压所破坏；有些营养成分在一定的压力下，并不能全部释放。为了解决这一情况，现有些电压力在设计中，采用多个压力开关组合[1]，实现了分段压力调节控制，也即是将原电压力锅上的单一烹饪压力，分成高、中、低等不同的压力阶段，来解决并满足不同食物在烹饪中所需压力不同的这一问题。这一技术虽解决了部分食物的合理烹饪压力，但因压力开关是机械性的控制装置，因此，也不能从根本上满足各种食物的烹饪要求。

为解决这一根本性的烹饪技术要求，还是需要在电压力锅上实现无极调压技术——即人们在用电压力锅烹饪时，可设定自己所需的任何压力值。要在电压力锅上实现这一技术，可采用压力传感器结合家电控制技术，实现起来不难，但压力传感器现多用于航空航天及军工或工业产品上，一只压力传感器至少上百元的成本，应用于电压力锅上，在成本上不够实际。怎样才能找到一种方法或技术实现电压力锅的无极调压技术，且成本低廉，便于生产呢？本文以称重传感器的特性，通过合理的结构设计，结合家电控制技术，较好的解决了这一问题。

图1 惠斯顿电桥原理

图2 桥式重力传感器

图3 设计方案一结构图

2 称重传感器的称重原理[2][3]及用于电压力锅测量压力的原理

称重传感器是使用地点的重力加速度（g）和空气浮力（f）的影响后，通过把其中一种被测量（质量）转换成另外一种被测量（输出）来测量质量的力传感器。以金属材料为转换元件的电阻应变计，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻——应变效应。所谓应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。

称重传感器的工作原理：

（1）两个典型的力学模型

当F＞0时，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被压缩，阻值减小。

（2）惠斯顿电桥

在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。

电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当Ui为直流时该电桥为直流电桥。电桥电路如图1所示，它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成，当桥臂电阻的阻值发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化。通过电压信号的变化大小，从而称出物体重量。

称重传感器根据其形状和用途不同，有很多种形式，本文所用的是一种一端用于装配固定形成悬臂梁的桥式重力传感器。如图2。

基于称重传感器的这种工作原理，应用于电压力锅上来测量锅内压力（实际上应是压强）的基本原理就是：锅内加热产生气体压强，经机构作用于传感器上，使传感器产生力学形变，进而引起电阻应变，最后经中央处理器将应变信号转化成或换算成压强，再输出。

称重传感器获得重力信号不外乎有两种形式：一是用一种转换机构，将锅内压强转化为力，这个力再作用于传感器上；另一种是通过外锅的弹性位移，作用于传感器上，以通过电路转化，最后把压力显示出来。

3 称重传感器应用于电压力锅上测量压力的两种设计方案

3.1 设计方案一

电压力锅在烹饪时，内部形成一个密封的烹饪空间，空间内的压力（压强）直接作用于食物，因此，关键是将这压力精确地反映出来。本方案采用锅内压力作用于活动顶杆，活动顶杆将力作用于传感器，经中央处理器，最后将处理后的信号还原成压力显示出来。

具体结构如图3和图4所示，包括有：锅盖、锅体、加热器和主控制单元。锅盖包括外盖、内衬盖、和不锈钢盖。在不锈钢盖上开设有通孔用于固定螺母活塞套，螺母活塞套底部上有密封沟槽，密封沟槽中放置有O型密封圈，螺母活塞套装于锅盖上后起密封作用。螺母活塞套外径上有螺纹，穿过不锈钢盖上的通孔后，与锁紧螺母相连，从而将螺母活塞套固定在不锈钢盖上。螺母活塞套为一中空结构，活动顶杆装配其中，与螺母活塞套过渡配合。活动顶杆上设有环形密封圈，与螺母活塞套内腔密封，防止漏气。这样，活动顶杆就可在螺母活塞套内腔中自由活动，活动顶杆与螺母活塞套内腔就如同活塞与气缸一样。

称重传感器固定在不锈钢盖或内衬盖或外盖这些不会发生位移的刚体上，受力端下方与活动顶杆顶部相接触。锅内的压强作用于活动顶杆的底端面，产生向上的推力，推动活动顶杆向上运动，将力传递给称重传感器。

其测量原理如下：锅内产生压强P，作用于活动顶杆的底端面，活动顶杆的底端面面积为S，因此，活动顶杆获得向上的推力为F1=PS。因活动顶杆自身重量以及与内腔的摩擦力为恒定值，为准确反应锅内实际压强，故可在实际程序中加入传感器受力的系统误差，此值设为F’。电压力锅起压工作时，当中央处理器获得的传感器受力信号大于一起始定值F0（相当小，起决于传感器的最小应变值和电路中的放大信号）时，系统自动修正传感器的受力值为F1+F’，即传感器获得推力为F1+F’，传感器获得推力后，产生应变电信号，经中央处理器处理后，反向将电信号转换成压强输出，其应用公式为P=（F1+F’）/S。因此，显示或输出的压强实际值为P=（F1+F’）/S。当最后程序结束，卸压至锅内压强为零时，中央处理器获得传感器的受力信号等于或小于起始值F0时，系统即不考虑F’，即获得的力为0，所输出的显示压力也为0，与锅的实际压力相等。因此，中央处理器输出的压强值能准确地反应锅内实际的压强值。

图4 设计方案一中A部分结构放大图

图5 设计方案二结构图

图6 设计方案二中A部分结构放大图

电压力锅工作时，中央处理器输出的压强值时时与用户所设定的压强值比较。当输出的压强值P等于或大于用户预设的压强值时，系统停止加热；当输出的压强值P小于预设值时启动加热器加热。压力开关在此设计中，仅作为一道安全屏障，当且仅当程序或内部原器件失效后，压力持续升高，压力开关断开，以切断电源。因此，可精确实现对锅内压力的控制，以期达到无极调压，满足不同食物烹饪所需的不同压力的目的。

采用该控制方法，将硬件固有的系统误差在数据处理环节中予以校正，既有效提高了控制的精确性，同时也避免了采用结构上或者电路上的矫偏措施所带来的成本增加、故障点增加的问题，既保证了压力控制的精度，也保证了结构的简单，使电压力锅具有良好的可靠性。

3.2 设计方案二

将称重传感器固定在底部，如外罩底部或底座上，称重传感器与外罩底部固设的传力销钉或发热盘上的传力柱相接触。当锅内产生压力，作用于发热盘，发热盘将压力作用于外罩上，使外罩产生弹性形变，这样，外罩底部下移，将力传给称重传感器，传感器将获得的信号传送给中央处理器。同方案一的原理一样，实现精确控压。结构如图5、图6所示。

与方案一比较，因方案二将称重传感器下置，传感器所受力除来自锅内的压力外，还受锅内食物多少（重量）及温度的影响，系统误差较大，且不是一个恒定值，称重传感器所测定出的重量与实际偏差较大，不能准确地反映锅内实际压强值，因此，只能粗略反映锅内压力大小。但方案一在设计时，应充分考虑气密性及系统误差。

4 精确控压的其他方案

随着技术的发展，电压力锅精确控压涌现出多种技术，以满足人们生活水平不断提高的要求。

人们利用可变电容[3]，以位移大小改变电容量大小的原理，将电压力锅内产生压强引起的弹性形变转换成位移，再将这位移作用在可变电容上，以改变电容中第一级板与第二极板的距离的大小来改变电容的大小，以产生变化的电信号，最后将变化的电信号还原成压力，以期来实现或反映电压力锅工作时，锅内的实际压力。

类似原理还可利用电磁线圈与铁芯所组成的电感变化法来实现精确控压。电压力锅内产生的压强，引起的弹性形变，经转换机构与电磁线圈中的铁芯相连，铁芯在线圈中可自由伸缩，电磁线圈固定在电压力锅的不动刚体上。这样，电压力锅的弹性形变所引起的位移，时时带动铁芯发生位移，使伸进电磁线圈中的铁芯长度不一，从而引起电磁线圈的电感量随位移的大小变化而变化，产生变化的电信号。以位移的大小，变化的不同的电感，来反映锅内的压力，以达到精确控压的目的。

以上几种方案，以电压力锅弹性形变所引起的位移大小，经转换机构或测试装置来反应锅内压力的实际大小，在原理上基本可以实现。但受材料，温度，生产装配工艺的一致性等多方面影响，所存在的系统误差相当大，且还受偶然误差的影响。因此，很难真实精确地反映出锅内的实际压力，在应用上还需进一步完善。

5 结语

本文剖析了几种实现精确控压的技术，希望能给同行起到“抛砖引玉”的作用，期待这一技术早日能成为一种主流技术！

[1]中国专利：CN201020678973.8

[2]王琦.电阻应变式称重传感器的设计.木材加工机械.2005年第3期

[3]王传文.称重传感器的工作原理及故障检测.化学分析计量，2002年，第11卷，第4期

[4]中国专利：CN 200720158958.9，CN 200910015149.6