電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理和補(bǔ)償課件

1、主要內(nèi)容（content）電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理(LC-principle) 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)；(LC structure)應(yīng)變計(jì)原理介紹；(resistance strain gauge)組橋測(cè)量原理。(principle of the measuring bridge) 稱重傳感器的電路補(bǔ)償(compensation circuit) 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償(Temperature zero-point adjustment ) 零點(diǎn)輸出補(bǔ)償(zero-point adjustment) 靈敏度溫度補(bǔ)償（Temperature sensitivity adjustment） 靈敏度標(biāo)準(zhǔn)

2、化調(diào)整(sensitivity adjustment) 輸出電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整(output resistance adjustment) 輸入電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整(input resistance adjustment)第1頁，共34頁。電阻應(yīng)變式稱重傳感器（LC-principle）原理第2頁，共34頁?；窘Y(jié)構(gòu)(Structure) 稱重傳感器：將物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。力電轉(zhuǎn)換 電阻應(yīng)變傳感器由1)彈性體，2)電阻應(yīng)變片，3)補(bǔ)償元件，4)密封材料等組成。3)4)2)1) 第3頁，共34頁。稱重傳感器電阻應(yīng)變片銅電阻應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)應(yīng)變計(jì)鎳電阻銅電阻第4頁，共34頁。電阻應(yīng)變式傳感器原理(pr

3、inciple ) 電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成的惠斯頓電橋，通過測(cè)量彈性體的應(yīng)變而測(cè)得與之成正比的外力（重量）。 一般由四應(yīng)變計(jì)組成的惠斯登電橋粘貼在彈性體上，當(dāng)彈性體由于外力發(fā)生彈性形變時(shí)，四個(gè)電橋的兩個(gè)相對(duì)的臂伸長(zhǎng)，電阻變化+R，另外兩個(gè)相對(duì)臂壓縮，電阻變化- R； 測(cè)量電橋電路應(yīng)變片彈性體載荷應(yīng)變輸出電壓UO電阻變化力形變形變電阻變化電阻變化電壓輸出怎樣從力電信號(hào)呢？FdRuo第5頁，共34頁。常見分類(types)按結(jié)構(gòu)型式分：彎曲梁式，剪切梁式，S 形拉式，柱式等第6頁，共34頁。不同稱重傳感器應(yīng)變片的粘貼方式LOAD第7頁，共34頁。電阻應(yīng)變片（resistance str

4、ain gauge） 結(jié)構(gòu)：敏感柵(sensitive grid)、 基底、蓋層、 引線 功能：把構(gòu)件表面的形變量 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)(電阻變化)；材料的應(yīng)變電阻特性第8頁，共34頁。敏感柵材料的要求敏感柵材料的要求：1.靈敏系數(shù)Ks高，在較大應(yīng)變范圍保持常數(shù) 康銅絲在彈性狀態(tài)和塑性狀態(tài)下，Ks值基本上是常數(shù)；2.電阻率高，分散度小，隨時(shí)間變化小；3.電阻溫度系數(shù)小，且在寬的溫度范圍內(nèi)保持不變，減小溫 度帶來的影響；4.分散度小，對(duì)溫度循環(huán)有完全的重復(fù)性；5.延伸率高，耐蝕性好，疲勞強(qiáng)度高；6.焊接性能好等。材料類型: 金屬（銅鎳合金、鎳鉻合金）/半導(dǎo)體/金屬氧化物 金屬：Ks=2.04.0 半導(dǎo)體

5、：Ks=150第9頁，共34頁。基底基底材料要求： 1.柔軟，有一定的機(jī)械強(qiáng)度； 2.粘結(jié)性能和絕緣性能好； 3.蠕變和滯后現(xiàn)象??； 4.不吸潮，能在不同溫度下工作。常用基底材料： 紙，膠膜，玻璃纖維布，金屬薄片等。第10頁，共34頁。引線和蓋層 引線要求： 1.引線應(yīng)具有低且穩(wěn)定的電阻率； 2.具有小的電阻溫度系數(shù)。引線常用材料：多用紫銅，鈹青銅等。蓋層： 作用：保護(hù)敏感柵，避免機(jī)械損傷，防止高溫氧化。 材料：基底的膠膜或玻璃纖維布等。第11頁，共34頁。應(yīng)變計(jì)的工作特性即考察的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)變計(jì)的電阻值：60，120，200，350，500，1000；應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)（一般2.04.0）應(yīng)變計(jì)

6、橫向效應(yīng)系數(shù)（一般0.1%5%）應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后應(yīng)變計(jì)的零點(diǎn)漂移和蠕變應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變極限應(yīng)變計(jì)的疲勞壽命應(yīng)變計(jì)的絕緣電阻應(yīng)變計(jì)的溫度特性應(yīng)變計(jì)的最大工作電流第12頁，共34頁。組橋測(cè)量原理(principle of measuring grid)-R+R-R+R2近似對(duì)電橋電路：對(duì)應(yīng)變計(jì)： 第13頁，共34頁。至此基本測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)有了彈性機(jī)體，應(yīng)變計(jì)和組成的電橋電路應(yīng)變電阻變化力應(yīng)變電阻輸出電壓第14頁，共34頁。第15頁，共34頁。傳感器的基本測(cè)量特性計(jì)量性能： 線性； 滯后； 重復(fù)性； 蠕變； 零點(diǎn)； 量程溫度系數(shù)等。其它指標(biāo)： 靈敏度輸出； 輸入/出阻抗； 絕緣阻抗等。我們最關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)

7、第16頁，共34頁。稱重傳感器的特性曲線需要最理想的綜合誤差非線性滯后00載荷輸出額定載荷額定輸出卸載加載理想直線各項(xiàng)主要指標(biāo)：1 精度等級(jí):C32 額定輸出:2mv/V3 非線性:0.02%F.S4 重復(fù)性:0.01%F.S5 滯后: 0.02%F.S6 零點(diǎn)輸出: 1%F.S7 蠕變(30分鐘): 0.02%F.S8 零點(diǎn)溫度系數(shù): 20ppm/C9 靈敏度溫度系數(shù):20ppm/C 10 補(bǔ)償溫度范圍:-10C- +40C11 使用溫度范圍:-20C- +65C12 絕緣電阻:5000 M13 安全超載:150%F.S14 極限超載: 300%F.S15 防護(hù)等級(jí):IP67第17頁，共34

8、頁?；狙a(bǔ)償電路稱重傳感器電路補(bǔ)償?shù)闹饕?xiàng)目有 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償零點(diǎn)輸出補(bǔ)償靈敏度溫度補(bǔ)償（彈性模量補(bǔ)償）靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整輸出電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)輸入電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整第18頁，共34頁。正做著補(bǔ)償呢！第19頁，共34頁。溫度對(duì)傳感器的影響Uoutload 溫度對(duì)零點(diǎn)輸出的影響（使整個(gè)特性曲線平移）T1T2 溫度對(duì)傳感器的特性曲線的綜合影響T2T1Uoutload 溫度對(duì)靈敏度的影響（使特性曲線傾斜）T2T1第20頁，共34頁。1.零點(diǎn)溫度補(bǔ)償零點(diǎn)輸出：稱重傳感器在無外載荷作用時(shí)的輸出.零點(diǎn)溫度漂移：零點(diǎn)輸出受環(huán)境溫度的影響, 隨環(huán)境溫度的變化而變化, 稱 之為.A tip：都可以看成是電橋電路四個(gè)橋臂電阻溫

9、度系數(shù)不一致。對(duì)策：找出個(gè)橋臂中電阻溫度系數(shù)小的橋臂，在其上串入一個(gè)電阻溫度 系數(shù)較大的零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻，以提高這個(gè)橋臂總的電阻溫度系數(shù)。材料：銅(a=0.0041/)、鎳(a=0.0068/)、鈷鎳合金tips： 根據(jù)高溫和常溫輸出電壓差的正負(fù)判斷補(bǔ)償電阻串 接在哪個(gè)橋臂上；根據(jù)的大小計(jì)算的大小。第21頁，共34頁。零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電路零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電路+ UBUD第22頁，共34頁。2.零點(diǎn)輸出補(bǔ)償使稱重傳感器的零點(diǎn)輸出接近為0所做的調(diào)整。補(bǔ)償方法：在無外載荷作用時(shí)，測(cè)出傳感器的零點(diǎn)輸出值，然后在某一橋臂中串接一個(gè)低電阻溫度系數(shù)的零點(diǎn)輸出補(bǔ)償電阻。材料：電阻率要高；電阻溫度系數(shù)??；應(yīng)變片靈敏系數(shù)

10、低。錳銅、康銅。Tips： 1.根據(jù)輸出電壓的正負(fù)確定串接在哪個(gè)橋臂中； 2.根據(jù)的大小確定補(bǔ)償電阻的大小。零點(diǎn)輸出補(bǔ)償電路第23頁，共34頁。零點(diǎn)輸出補(bǔ)償電阻的計(jì)算U0：補(bǔ)償前零點(diǎn)輸出電壓值Rz：補(bǔ)償電阻的值第24頁，共34頁。3.靈敏度溫度補(bǔ)償稱重傳感器的靈敏度S用下式表示： Uo：傳感器的額定輸出mVUi：傳感器的供橋電壓V 圓柱式的靈敏度計(jì)算公式： 剪切梁式靈敏度計(jì)算公式：傳感器的額定載荷；電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)； 彈性元件材料的泊松比；彈性元件材料的彈性模量；圓柱式彈性元件的外徑；、b、H、h-剪切式彈性元件工字型或矩形截面尺寸參數(shù)。第25頁，共34頁。溫度對(duì)靈敏度的影響溫度變化時(shí)，材

11、料的彈性模量E變化最大（E溫度系數(shù)為負(fù)），直接影響材料的靈敏度，造成很大的測(cè)量誤差。0.030.05%/即 溫度每變化10，靈敏度變化2%5%這個(gè)也太大了思路：溫度變化使E/Ui保持不變-靈敏度S就可以保持不變；方法：在電橋的供橋回路中串接補(bǔ)償電阻RM，當(dāng)溫度升高， RM隨之變大，分壓作用變大，供橋電壓減小。UoUi/E (Ui為實(shí)際供橋電壓)-4S不變，則靈敏度S 不變TEUiS第26頁，共34頁。溫度靈敏度補(bǔ)償電阻的計(jì)算彈性元件的線膨脹系數(shù)；彈性模量E的溫度系數(shù)；靈敏度溫度補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)；應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)；應(yīng)變計(jì)的電阻溫度系數(shù)。 靈敏度溫度誤差是一個(gè)系統(tǒng)誤差，它主要取決于彈性元

12、件和電阻應(yīng)變計(jì)的材料，很少程度與彈性元件的結(jié)構(gòu)有關(guān)！第27頁，共34頁。4靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整即：靈敏度調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)值。思路:在電橋的供橋回路上串聯(lián)靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整電阻Rs 即在電源電壓不變的情況下，通過在供橋回路上串聯(lián)電阻可以改變實(shí)際的供橋電壓。說明： S0未串入Rs時(shí)實(shí)測(cè)的靈敏度 S串入Rs調(diào)整后要求的靈敏度 REC橋路EC兩點(diǎn)間的電阻值材料要求： 電阻溫度系數(shù)小，如錳銅，多用優(yōu)于50或25ppm/的高精度，高穩(wěn)定度的環(huán)氧膜壓封型金屬膜電阻第28頁，共34頁。5.輸出電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整背景：當(dāng)多只傳感器并聯(lián)使用時(shí)，要求：每只傳感器的靈敏度和輸出電阻相同。否則：傳感器并聯(lián)后輸出的平均值有較大的稱量誤差

13、。調(diào)整方法：在電橋電路的 輸出回路上串接一個(gè) 高精度低電阻溫度系數(shù)的調(diào)整電阻R0 。Tips： 當(dāng)輸出電阻的實(shí)測(cè)值小于要調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，輸出回路上串接調(diào)整電阻R0； 當(dāng)輸出電阻的實(shí)測(cè)值大于要調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，輸出回路上并聯(lián)調(diào)整電阻R0；補(bǔ)償電阻： R0最好使用高精度、高穩(wěn)定度、低溫度系數(shù)的環(huán)氧壓膜封裝型金屬膜電阻。第29頁，共34頁。6.輸入電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整方法：在電橋的供橋回路上并聯(lián)一個(gè)輸入電阻標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)整電阻Ri。RFG未并入Ri時(shí)橋路F、G兩點(diǎn)間的電阻值；RB輸入電阻要求的標(biāo)準(zhǔn)值。第30頁，共34頁。完整的傳感器補(bǔ)償與調(diào)整電路實(shí)際的補(bǔ)償電路 為電橋電路各項(xiàng)參數(shù)對(duì)稱，提高抗干擾能力，應(yīng)溫度靈敏度補(bǔ)