電容式荷重傳感器的應(yīng)用

1、電容式荷重傳感器的應(yīng)用 荷重傳感器按轉(zhuǎn)換工作原理分類(lèi)為電磁力式、光電式、液壓式、電容式、磁極變形式、振動(dòng)式、陀螺儀式、電陰應(yīng)變式等8類(lèi)傳感器，以電阻應(yīng)變式使用最廣。在稱(chēng)重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評(píng)價(jià)方法上，新舊國(guó)標(biāo)有質(zhì)的差異。本文介紹荷重傳感器的工作原理和使用注意事項(xiàng)等知識(shí)。電阻應(yīng)變式荷重傳感器是基于這樣一個(gè)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(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。由此可見(jiàn)，電阻應(yīng)變片、彈

2、性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述荷重傳感器工作原理。1、荷重傳感器彈性體的原理彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱(chēng)重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。以托利多公司的SB系列荷重傳感器的彈性體為例，來(lái)介紹一下其中的應(yīng)力分布。設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁。肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加

3、，而應(yīng)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(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 = （3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2-9）其中：Q-截面上的剪力；E-揚(yáng)氏模量：泊松系數(shù)；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。需要說(shuō)明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。2、傳感器電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來(lái)介紹一下它的意義。設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作，這種材料的

4、泊松系數(shù)是。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R：R = L/S（） （21）當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作。對(duì)式（2-1）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。我們有：R = L/S + L/S SL/S2 （22）用式（2-1）去除式（2-2）得到R/R = / + L/L S/S （23）另外，我們知道導(dǎo)線(xiàn)的橫截面積S = r2，則 s = 2r*r，所以S/S = 2r/r （24）從材料力學(xué)我們知道r/r = -L/L （

5、25）其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（24）（25）代入（2-3），有R/R = / + L/L + 2L/L=（1 + 2（/）/（L/L）*L/L= K *L/L （2-6）其中K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （-）式（2-6）說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。需要說(shuō)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(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)，不同的材料的K值一般在1.73.6之間；其次K值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。在材料力學(xué)中L/L稱(chēng)作為應(yīng)變，記作，用它來(lái)

6、表示彈性往往顯得太大，很不方便常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作。這樣，式（-）常寫(xiě)作：R/R = K (28)3、檢測(cè)電路原理檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決荷重傳感器的補(bǔ)償問(wèn)題等，所以惠斯登電橋在中得到了廣泛的傳感器應(yīng)用。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷(xiāo)，所以荷重傳感器均采用全橋式等臂電橋。其實(shí)稱(chēng)重傳感器原理上就是壓力傳感器，形狀不一樣而已，通常有很多種方法傳感的，但我見(jiàn)到，用得比較多，比如地磅用的那些，一般為電渦流式。也就是說(shuō)，他有一個(gè)

7、電渦流觸發(fā)繞組，然后還有一個(gè)傳感器感應(yīng)電渦流強(qiáng)度。由于這個(gè)傳感器整體是金屬封裝，電渦流在其內(nèi)部，受到壓后形變，渦流就發(fā)生變化，放大后就可以讀到數(shù)據(jù)了。然后，封裝這個(gè)東西的材料，通常選用剛性材料， 總之，就是一般的金屬，比如鋼，但肯定不會(huì)用很軟的東西的。至少電渦流方式傳感的壓力傳感器，是不會(huì)用軟金屬制造的。因?yàn)榧词故卿摚退闶艿綁毫π巫兡敲磶孜⒚?，那么電渦流的變化也足夠感應(yīng)出到底變化了多少而且如果是軟金屬，稱(chēng)很重東西的時(shí)候，可能很容易出問(wèn)題。荷重傳感器的使用知識(shí)隨著技術(shù)的進(jìn)步,由荷重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱(chēng)量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程

8、自動(dòng)化程度化的不斷提高，稱(chēng)重傳感器已成為過(guò)程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱(chēng)重的大型罐、料斗等重量計(jì)測(cè)以及吊車(chē)秤、汽車(chē)秤等計(jì)測(cè)控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動(dòng)檢測(cè)和粉粒體進(jìn)料量控制等，都應(yīng)用了荷重傳感器，目前，稱(chēng)重傳感器幾乎運(yùn)用到了所有的稱(chēng)重領(lǐng)域。本系統(tǒng)由微機(jī)控制稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)重和比較，并輸出控制信號(hào)，執(zhí)行定值稱(chēng)量，控制外部給料系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)行自動(dòng)稱(chēng)量和快速分裝的任務(wù)。系統(tǒng)采用MCS-51單片機(jī)和V/F電壓頻率變換器等電子器件，其硬件電路框圖如圖1所示，用8031作為中央處理器，BCD拔碼盤(pán)作為定值設(shè)定輸入器，物料裝在料斗里，其重量使傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與重量成正比的電信號(hào)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)稱(chēng)重變送