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电阻应变式称重传感器的原理

电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重 , 在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。它是电子衡器的核心部件。它的质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。在实际使用中 , 由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响 , 很容易发生故障 ,影响电子衡器计量数据的准确及稳定的运行。因此 ,了解称重传感器的基本原理及故障原因 , 熟练掌握故障的分析判断技术 , 是快速准确地处理电子衡器的故障 , 保证其准确、稳定运行的关键。


1.1 称重传感器的组成部分  

   称重传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。应变片是一种传感元件 , 它的作用是将变形转变成电阻变化;弹性体是一个有特殊形状的结构件,它的主要作用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。

1.2 工作原理

   电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形,然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化,再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测,如力、压力、加速度、力矩、重量等,在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

 1.2.1应变片的电阻应变效应

  所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变,这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例:设其长为:L、半径为r、材料的电阻率为ρ时,根据电阻的定义式得

            (1—1)

当导体因某种原因产生应变时,其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。对式(1—1)全微分得电阻变化率 dR/R为:

            (1—2)

式中:dL/L为导体的轴向应变量εL;  dr/r为导体的横向应变量εr  

由材料力学得:                 εL= - μεr                         (1—3)

式中:μ为材料的泊松比,大多数金属材料的泊松比为0.3~0.5左右;负号表示两者的变化方向相反。将式(1—3)代入式(1—2)得:

         (1—4)

式(1—4)说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变(几何效应)和本身特有的导电性能(压阻效应)。

 1.2.2应变灵敏度

    它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

    (1)、金属导体的应变灵敏度K:主要取决于其几何效应;可取

          (1—5)

其灵敏度系数为:

K=                               

                            

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化,拉伸时电阻增大,压缩时电阻减小,且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

   (2)、半导体的应变灵敏度:主要取决于其压阻效应;dR/R<≈dρ⁄ρ。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率,是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性,因而改变了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化,这种物理现象称之为半导体的压阻效应 。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同,可以是正(使电阻增大)的或负(使电阻减小)的压阻效应。也就是说,同样是拉伸变形,不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

     半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应,其灵敏度系数较大,一般在100到200左右。


1.2.3贴片式应变片应用

在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片,贴片式半导体应变片(温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏)很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜(扩散出敏感栅),制成扩散型压阻式(压阻效应)传感器。

*本实验以金属箔式应变片为研究对象。

 1.2.4箔式应变片的基本结构

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板,粘贴直径为0.025mm左右

的金属丝或金属箔制成,如图1—1所示。

 

精密称重传感器,拉压力传感器,多轴传感器

(a) 丝式应变片                                             (b) 箔式应变片

图1—1应变片结构图

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件,与丝式应变片工作原理相同。电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为: ΔR/R=Kε  式中:ΔR/R为电阻丝电阻相对变化,K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。

 1.2.5测量电路

    为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号,在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求,因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种,单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差;双臂输出是单臂的两倍,性能比单臂有所改善;全桥工作时的输出是单臂时的四倍,性能好。

   称重传感器的基本电路如图1所示

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可以推出: 

U0=(R2 R4-R1 R3)Ui/(R1+R2)(R3+R4) 

式中R1 R2 R3 R4为应变片电阻;  为传感器的输入信号;   为传感器的输出信号。

R2 R4=R1 R3时 , 我们称之为电桥平衡 , 这时

图 1 基本电路图

称重传感器的输出电压U0 = 0mV。

    物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器 , 称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形 , 使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形 , 电阻应变片变形后 , 它的阻值将发生变化 (增大或减小) 。再经相应的检测电路 , 把这一电阻变化转换为电信号 (电压或电流) 输出 , 从而完成将外力变换为电信号的过程。

R1 = R2 = R3 = R4 = R

当受到重力作用后,传感器的应变片电阻发生变化,假设各桥臂阻值变化相同,变量为 ΔR, 即:  R1 、 R3分别减小ΔR ,  R2 R4 分别增大ΔR时 

可以推出传感器的输出电压为:  U0=ΔRUi/R

     用称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤实验原理如图1—1。本实验只做放大器输出Vo实验,通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。

 

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图1—1  数字电子称原理框图


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