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    電阻應變式稱重傳感器的原理

    電阻應變式稱重傳感器用于靜態、動態條件下測力或稱重 , 在我國工業生產過程檢測與控制、自動計量等領域已大量應用。它是電子衡器的核心部件。它的質量好壞是影響電子衡器計量準確度的主要因素。在實際使用中 , 由于受到原材料及制造工藝、安裝方法、使用條件及外部環境的影響 , 很容易發生故障 ,影響電子衡器計量數據的準確及穩定的運行。因此 ,了解稱重傳感器的基本原理及故障原因 , 熟練掌握故障的分析判斷技術 , 是快速準確地處理電子衡器的故障 , 保證其準確、穩定運行的關鍵。


    1.1 稱重傳感器的組成部分  

       稱重傳感器主要由電阻應變片、彈性體、檢測電路三部分組成。應變片是一種傳感元件 , 它的作用是將變形轉變成電阻變化;彈性體是一個有特殊形狀的結構件,它的主要作用是將力轉換為形變;檢測電路的主要部件是惠斯登電橋,它可以比較方便地解決稱重傳感器的補償問題,其功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為相應的電信號輸出。

    1.2 工作原理

       電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內部變形轉換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形,然后由電阻應變片將彈性元件的變形轉換成電阻的變化,再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉化成變形的各種非電物理量的檢測,如力、壓力、加速度、力矩、重量等,在機械加工、計量、建筑測量等行業應用十分廣泛。

     1.2.1應變片的電阻應變效應

      所謂電阻應變效應是指具有規則外形的金屬導體或半導體材料在外力作用下產生應變而其電阻值也會產生相應地改變,這一物理現象稱為“電阻應變效應”。以圓柱形導體為例:設其長為:L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時,根據電阻的定義式得

                (1—1)

    當導體因某種原因產生應變時,其長度L、截面積A和電阻率ρ的變化為dL、dA、dρ相應的電阻變化為dR。對式(1—1)全微分得電阻變化率 dR/R為:

                (1—2)

    式中:dL/L為導體的軸向應變量εL;  dr/r為導體的橫向應變量εr  

    由材料力學得:                 εL= - μεr                         (1—3)

    式中:μ為材料的泊松比,大多數金屬材料的泊松比為0.3~0.5左右;負號表示兩者的變化方向相反。將式(1—3)代入式(1—2)得:

             (1—4)

    式(1—4)說明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變(幾何效應)和本身特有的導電性能(壓阻效應)。

     1.2.2應變靈敏度

        它是指電阻應變片在單位應變作用下所產生的電阻的相對變化量。

        (1)、金屬導體的應變靈敏度K:主要取決于其幾何效應;可取

              (1—5)

    其靈敏度系數為:

    K=                               

                                

    金屬導體在受到應變作用時將產生電阻的變化,拉伸時電阻增大,壓縮時電阻減小,且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。

       (2)、半導體的應變靈敏度:主要取決于其壓阻效應;dR/R<≈dρ?ρ。半導體材料之所以具有較大的電阻變化率,是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻效應。在半導體受力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性,因而改變了半導體的導電機理,使得它的電阻率發生變化,這種物理現象稱之為半導體的壓阻效應 。不同材質的半導體材料在不同受力條件下產生的壓阻效應不同,可以是正(使電阻增大)的或負(使電阻減?。┑膲鹤栊?。也就是說,同樣是拉伸變形,不同材質的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。

         半導體材料的電阻應變效應主要體現為壓阻效應,其靈敏度系數較大,一般在100到200左右。


    1.2.3貼片式應變片應用

    在貼片式工藝的傳感器上普遍應用金屬箔式應變片,貼片式半導體應變片(溫漂、穩定性、線性度不好而且易損壞)很少應用。一般半導體應變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件,在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應變薄膜(擴散出敏感柵),制成擴散型壓阻式(壓阻效應)傳感器。

    *本實驗以金屬箔式應變片為研究對象。

     1.2.4箔式應變片的基本結構

    金屬箔式應變片是在用苯酚、環氧樹脂等絕緣材料的基板,粘貼直徑為0.025mm左右

    的金屬絲或金屬箔制成,如圖1—1所示。

     

    精密稱重傳感器,拉壓力傳感器,多軸傳感器

    (a) 絲式應變片                                             (b) 箔式應變片

    圖1—1應變片結構圖

    金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件,與絲式應變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發生機械變形時,其電阻值發生變化,這就是電阻應變效應,描述電阻應變效應的關系式為: ΔR/R=Kε  式中:ΔR/R為電阻絲電阻相對變化,K為應變靈敏系數,ε=ΔL/L為電阻絲長度相對變化。

     1.2.5測量電路

        為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉換成電壓或電流信號,在應用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現溫度補償等優點。能較好地滿足各種應變測量要求,因此在應變測量中得到了廣泛的應用。

    電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種,單臂工作輸出信號最小、線性、穩定性較差;雙臂輸出是單臂的兩倍,性能比單臂有所改善;全橋工作時的輸出是單臂時的四倍,性能好。

       稱重傳感器的基本電路如圖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為應變片電阻;  為傳感器的輸入信號;   為傳感器的輸出信號。

    R2 R4=R1 R3時 , 我們稱之為電橋平衡 , 這時

    圖 1 基本電路圖

    稱重傳感器的輸出電壓U0 = 0mV。

        物料重量通過電子衡器的秤體或料斗作用于稱重傳感器 , 稱重傳感器的彈性體在外力作用下產生彈性變形 , 使粘貼在它表面的電阻應變片也隨同產生變形 , 電阻應變片變形后 , 它的阻值將發生變化 (增大或減小) 。再經相應的檢測電路 , 把這一電阻變化轉換為電信號 (電壓或電流) 輸出 , 從而完成將外力變換為電信號的過程。

    R1 = R2 = R3 = R4 = R

    當受到重力作用后,傳感器的應變片電阻發生變化,假設各橋臂阻值變化相同,變量為 ΔR, 即:  R1 、 R3分別減小ΔR ,  R2 、R4 分別增大ΔR時 

    可以推出傳感器的輸出電壓為:  U0=ΔRUi/R

         用稱重傳感器就是應用了箔式應變片及其全橋測量電路。數字電子秤實驗原理如圖1—1。本實驗只做放大器輸出Vo實驗,通過對電路的標定使電路輸出的電壓值為重量對應值,電壓量綱(V)改為重量量綱(g)即成為一臺原始電子秤。

     

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    圖1—1  數字電子稱原理框圖


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