電阻應變式稱重傳感器基礎知識

1、1. 電阻應變式稱重傳感器等工作原理2. 稱重傳感器常用技術參數(shù)3. 稱重傳感器選用的一般規(guī)則4. 使用稱重傳感器注意事項1.電阻應變式稱重傳感器等工作原理電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體(彈性元件，敏感梁)在外 力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片(轉換元件)也隨同產(chǎn)生 變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應的測 量電路把這一電阻變化轉換為電信號(電壓或電流)，從而完成了將外力變換為電信號的過程。由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少 的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。一、電阻應變片電阻應變片是把一根

2、電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。設有一個金屬電阻絲，其長度為 L,橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S, 其電阻率記作p,這種材料的泊松系數(shù)是 卩。當這根電阻絲未受外力作用時， 它的電阻值為R:R = p L/S (Q)(2 1)當他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設其伸長 L,其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少 r。此外，還可用實驗證明，此金屬電 阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Ap。對式(2-1 )求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有:A R = Ap L/S

3、 + A Lp /S - A Sp L/S2 ( 22)用式(2-1 )去除式(2-2 )得到A R/R = Ap / p + A L/L - A S/S (23)另外，我們知道導線的橫截面積 S = n r2，貝U A s = 2 n r* A r，所以A S/S = 2 A r/r( 24)從材料力學我們知道A r/r =- iiA L/L ( 2 5)其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。卩是表示材料橫向效應泊松系數(shù)。把式(24)( 2 5)代入(2-3 )，有A R/R = Ap / p + A L/L + 2 A L/L=(1 + 2 (Ap / p) / ( L/L) * L/L

4、=K * A L/L ( 2-6 )其中K = 1 + 2 卩 + (Ap / p) / (A L/L)(2 - 7)式(2-6 )說明了電阻應變片的電阻變化率(電阻相對變化)和電阻絲伸長率 (長度相對變化)之間的關系。需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數(shù)，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的K值一般在1.7 3.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。在材料力學中A L/L稱作為應變，記作£,用它來表示彈性往往顯得太大，很 不方便常常把它的百萬分之一作為單位，記作卩£。這樣，式(2 - 6)常寫作：A R/R = K

5、& (2 8)二、彈性體彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器 所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品 質的應變場(區(qū))，使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的 轉換任務。以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。 設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。肓孔底部中心是承受純剪應力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應力。主應 力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而 阻值增加，而應變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的 應變表達式，而不再推導

6、。& = (3Q( 1 + 卩)/2Eb) * (B (H2-h2) +bh2) / (B (H3-h3) +bh3) (2-9 ) 其中：Q-截面上的剪力；E-揚氏模量：卩一泊松系數(shù)；B b、H h為梁的幾 何尺寸。需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部”情況， 而應變片實際感受的是 “平均”狀態(tài)。三、檢測電路檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵觥?因為惠斯登電橋具 有很多優(yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便 的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的 應用。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種

7、干擾的影響容易相互抵 銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。2稱重傳感器常用技術參數(shù)一、用分項指標表示法 在介紹稱重傳感器技術參數(shù)時，傳統(tǒng)的方法是采用分項 指標，其優(yōu)點是物理意義明確，沿用多年，熟悉的人較多。我們現(xiàn)在列出其主要 項目如下：*額定容量生產(chǎn)廠家給出的稱量范圍的上限值。* 額定輸出（靈敏度） 加額定載荷時和無載荷時，傳感器輸出信號的差值。由于 稱重傳感器的輸出信號與所加的激勵電壓有關，所以額定輸出的單位以mV/V來表示。并稱之為靈敏度。*靈敏度允差 傳感器的實際穩(wěn)定輸出與對應的標稱額定輸出之差對該標稱額定 輸出的百分比。例如，某稱重傳感器的實際額定輸出為2.002mV/V，與之相適

8、應的標準額定輸出則為2mV/V則其靈敏度允差為：（2. 002 - 2。000） /2.000 ） *100% = 0.1%*非線性 由空載荷的輸出值和額定載荷時輸出值所決定的直線和增加負荷之實 測曲線之間最大偏差對于額定輸出值的百分比。* 滯后允差 從無載荷逐漸加載到額定載荷然后再逐漸卸載。 在同一載荷點上加載 和卸載輸出量的最大差值對額定輸出值的百分比。*重復性誤差 在相同的環(huán)境條件下， 對傳感器反復加荷到額定載荷并卸載。 加荷 過程中同一負荷點上輸出值的最大差值對額定輸出的百分比。*蠕變 在負荷不變（一般取為額定載荷），其它測試條件也保持不變的情形下， 稱重傳感器輸出隨時間的變化量對額定

9、輸出的百分比。*零點輸出 在推薦電壓激勵下，未加載荷時傳感器的輸出值對額定輸出的百分 比。*絕緣阻抗 傳感器的電路和彈性體之間的直流阻抗值。*輸入阻抗 信號輸出端開路， 傳感器未加負荷時， 從電源激勵輸入端測得的阻抗 值。*輸出阻抗 電源激勵輸入端短路，傳感器未加載荷時，從信號輸出端測得的阻抗。 *溫度補償范圍 在此溫度范圍內(nèi)，傳感器的額定輸出和零平衡均經(jīng)過嚴密補償， 從而不會超出規(guī)定的范圍。*零點溫度影響 環(huán)境溫度的變化引起的零平衡變化。一般以溫度每變化10K時,引起的零平衡變化量對額定輸出的百分比來表示。*額定輸出溫度影響 環(huán)境溫度的變化引起的額定輸出變化。一般以溫度每變化 10K引起額定

10、定輸出的變化量額定輸出的百分比來表示。*使用溫度范圍 傳感器在此溫度范圍內(nèi)使用其任何性能參數(shù)均不會產(chǎn)生永久性 有害變化二、在OIML60號國際建議中采用的術語。以0IML60號國際建議9 2年版為基礎，參考 JJG669-90 稱重傳感器檢定規(guī)程新的技術參數(shù)大致有： *稱重傳感器輸出 被測量（質量）通過稱重傳感器轉換而得到的可測量。*稱重傳感器分度值 稱重傳感器的測量范圍被等分后其中一份的大小。 *稱重傳感器檢定分度值（ V） 為了準確度分級，在稱重傳感器測試中采用的， 以質量單位表達的稱重傳感器分度值。*稱重傳感器最小檢定分度值 （ Vmin） 稱重傳感器測量范圍可以被分度的最小檢 定分度值

11、勤。*最小靜負荷（ Fsmin） 可以施加于稱重傳感器而不會超出最大允許誤差的質量 的最小值。*最大稱量 可以施加于稱重傳感器而不會超出最大允許誤差的質量的最大值。*非線性（ L） 稱重傳感器進程校準曲線與理論直線的偏差。*滯后誤差（H）施加同一級負荷時稱重傳感器輸出讀數(shù)之間的最大差值；其中一次是由最小靜負荷開始的進程讀數(shù)，另一次是由最大稱量開始的回程讀數(shù)。*蠕變（ Cp） 在負荷不變，所有環(huán)境條件和其它變量也保持不變的情況下，稱重 傳感器滿負荷輸出隨時間的變化。*最小靜負荷輸出恢復植（CrFsmin）負荷施加前，后測得的稱重傳感器最小靜負 荷輸出之間的差值。*重復性誤差（ R） 在相同的負荷

12、和相同的環(huán)境條件下，使連續(xù)數(shù)次進行實驗所 得的稱重傳感器輸出讀數(shù)之間的差值。*溫度對最小靜負荷輸出的影響（ Fsmin） 由于環(huán)境溫度變化而引起的最小靜負 荷輸出之間的變化。*溫度對輸出靈敏度的影響 （St） 由于環(huán)境溫度變化而引起的輸出靈敏度的變化。 *稱重傳感器測量范圍 被測量（質量） 值范圍， 測量結果在此范圍內(nèi)不會超出最 大允許誤差。*安全極限負荷 可以施加于稱重傳感器的最大負荷， 此時稱重傳感器在性能特征 上，不會產(chǎn)生超出規(guī)定值的永久性漂移。*溫濕度對最小靜負荷輸出影響 （FsminH） 由于溫濕度變化而引起的最小靜負荷 輸出的變化。*溫濕度對輸出靈敏度的影響 由于溫濕度變化而引起的

13、輸出靈敏度的變化。 此外，在 JJG69990 稱重傳感器檢定規(guī)程中，還列出了一個技術參數(shù)，即 *最小負荷（Fmin）力發(fā)生裝置能達到的最接近稱重傳感器最小靜負荷的質量值。 正是因為傳感器測量時， 總要在測力機上進行， 而又很難直接測量最小靜負荷點 性能。再要說明一點，OIML60號國際建議是專門為稱重傳感器而制定的， 它對稱重傳感器的評定的出發(fā)點就是要適應衡器的要求。 當傳感器用于其它目的 時，這種評估方式不一定最合適。3 . 稱重傳感器選用的一般規(guī)則 在電子衡器中， 選用何種稱重傳感器， 要全面衡量。 下面就稱重傳感器的結構形 式、量程，準確度等級的選擇上講述一般要考慮的幾個方面。一、結構

14、、形式的選擇選用何種結構形式的稱重傳感器， 主要看衡器的結構和使用的環(huán)境條件。 如要制 作低外形衡器，一般應選用懸臂梁式和輪幅式傳感器，若對外形高度要求不嚴， 則可采用柱式傳感器。此外，衡器使用的環(huán)境若很潮濕，有很多粉塵，則應選擇 密封形式較好的； 若在有爆炸危險的場合， 則應選用本質安全型傳感器； 若在高 架稱重系統(tǒng)中， 則應考慮安全及過載保護； 若在高溫環(huán)境下使用， 則應選用有水 冷卻護套的稱重傳感器； 若在高寒地區(qū)使用， 則應考慮采用有加溫裝置的傳感器。 在形式選擇中， 有一個要考慮的因素是， 維修的方便與否及其所需費用， 即一旦 稱重系統(tǒng)出了毛病， 能否很順利、 很迅速的獲得維修器件。

15、 若不能做到就說明形 式選擇不夠合適。二、量程的選擇稱重系統(tǒng)的稱量值越接近傳感器的額定容量， 則其稱量準確度就越高， 但在實際 使用時，由于存在秤體自重、皮重及振動、沖擊、偏載等，因而不同稱量系統(tǒng)選 用傳感器的量限的原則有很大差別。 作為一般規(guī)則， 可有： * 單傳感器靜態(tài)稱重 系統(tǒng)：固定負荷（秤臺、容器等）+變動負荷（需稱量的載荷）W所選用傳感器 的額定載荷 X 70%*多傳感器靜態(tài)稱重系統(tǒng)：固定負荷（秤臺、容器等） + 變動 負荷（需稱量的載荷）w選用傳感器額定載荷 X所配傳感器個數(shù)X 70% 其中 70%的系數(shù)即是考慮振動、沖擊、偏載等因素而加的。需要說明的是： 首先，選擇傳感器得額定容

16、量要盡量符合生產(chǎn)廠家的標準產(chǎn)品系 列中的值， 否則，選用了非標準產(chǎn)品， 不但價格貴， 而且損壞后難以代換。 其次， 在同一稱重系統(tǒng)中， 不允許選用額定容量不同的傳感器， 否則，該系統(tǒng)沒法正常 工作。再者，所謂變動負荷（需稱量的載荷）是指加于傳感器的真實載荷，若從 秤臺到傳感器之間的力值傳遞過程中，有倍乘和衰減的機構（如杠桿系統(tǒng)），則 應考慮其影響。三、準確度的選擇稱重傳感器的準確度等級的選擇， 要能夠滿足稱重系統(tǒng)準確度級別的要求， 只要 能滿足這項要求即可。 即若 2500 分度的傳感器能滿足要求， 切勿選用 3000分度 的。 若在一稱重系統(tǒng)中使用了幾只相同形式，相同額定容量的傳感器并聯(lián)工作

17、 時，其綜合誤差為，則有： = / n1/2 （2 12）其中：:單個傳感器的綜合誤差；n :傳感器的個數(shù)。 另外，電子稱重系統(tǒng)一般由三大部分組成， 他們是稱重傳感器， 稱重顯示器和機械結構件。 當系統(tǒng)的 允差為1時，作為非自動衡器主要構成部分之一的稱重傳感器的綜合誤差（） 一般只能達到 0.7 的比例成分。根據(jù)這一點和式（ 2-12 ），自不難對所需的傳 感器準確度作出選擇。四、某些特殊要求應如何達到在某些稱重系統(tǒng)中， 可能有一些特殊的要求， 例如軌道衡中希望稱重傳感器的彈 性變形量要小一些， 從而可以使秤臺在稱量時的下沉量小些， 使得貨車在駛入和 駛出秤臺時，減小沖擊和振動。另外，在構成動

18、態(tài)稱重系統(tǒng)時，不免要考慮所用 稱重傳感器的自振頻率， 是否能滿足動態(tài)測量的要求。 這些參數(shù)， 在一般的產(chǎn)品 介紹中是不予列出的。 因此當要了解這些技術參數(shù)時， 應向制造商咨詢， 以免失 誤。4 . 使用稱重傳感器注意事項 電阻應變式稱重傳感器本身是一種堅固、 耐用、可靠的機電產(chǎn)品。 但為了保證測 試精度，我們?nèi)杂性S多在使用中要注意的問題，下面列出一些基本要求。 一、機械安裝方面稱重傳感器要輕拿輕放，尤其是由合金鋁制作彈性體的小容量傳感器， 任何沖 擊、跌落，對其計量性能均可能造成極大損害。對于大容量的稱重傳感器，一般 來說，它具有較大的自重，故而要求在搬運、安裝時，盡可能使用適當?shù)钠鸬踉O 備（

19、如手拉葫蘆、電動葫蘆等）。安裝傳感器的底座安裝面應平整、清潔，無任何油膜，膠膜等存在。安裝底座 本身應有足夠的強度和剛性，一般要求高于傳感器本身的強度和剛度。水平調整： 水平調整有兩個方面的內(nèi)容。 一是單只傳感器安裝底座的安裝平面 要用水平儀調整水平， 另一方面是指多個傳感器的安裝底座的安裝面要盡量調整 到一個水平面上（用水準儀），尤其是傳感器數(shù)多于三個的稱重系統(tǒng)中，更應注 意這一點，這樣做的主要目的是為了使各傳感器所承受的負荷基本一致。每種稱重傳感器的加載方向都是確定的， 而我們使用時， 一定要在此方向上加 載負荷。橫向力、附加的彎矩、扭矩力應盡量避免。盡量采用有自動定位（復位）作用的結構配

20、件，如球形軸承、關節(jié)軸承、定位 緊固器等。 他們可以防止某些橫向力作用在傳感器上。 要說明的是： 有些橫向力 并不是機械安裝引起的， 如熱膨脹引起的橫向力， 風力引起的橫向力， 及某些容 器類衡器上的攪拌器的振動引起的橫向力即不是機械安裝引起的。某些衡器上有些必須接到秤體上的附件 （如容器秤的輸料管道等） ，我們應讓 他們在傳感器加載主軸的方向上盡量柔軟一些， 以防止他們“吃掉”傳感器的真 實負荷合而引起誤差。稱重傳感器周圍應盡量設置一些“擋板”，甚至用薄金屬板把傳感器罩起來。這樣可防止雜物玷污傳感器及某些可動部分， 而這種“沾污”往往會使可動部分 運動不爽，而影響稱量精度。系統(tǒng)有無運動不爽現(xiàn)象， 可以用以下方法判別。 即在秤臺上加或減大約千分之一 額定負荷看看稱重顯示儀是否有反映，有反映，說明可動部分未受“沾污”。稱重傳感器雖然有一定的過載能力， 但在稱重系統(tǒng)安裝過程中， 仍應防止傳感 器的超載。要注意的是，即使是短時間的超載，也可能會造成傳感器永久損壞。 在安裝過程中， 若確有必要， 可先用一個和傳感器等高度的墊塊代替?zhèn)鞲衅鳎?到 最后，再把傳感器換上。 在正常工作時，傳感器一般均應設置過載保護的機械結構件。若用螺桿固定傳感器， 要求有一定的緊固力矩， 而且螺桿應有一定的旋入螺紋 深度。一