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1、任务一电子秤的设计与制作 一、任务描述 利用电阻应变式传感器进行电子秤的设计和制作，如图1-1所示，要 求测量范围为2 kg，其分辨力为1g，测量精度为0.5%RD1字，并能 够利用数码管显示测量值。 二、任务目标 (1)掌握电阻应变式传感器的结构和工作原理。 (2)掌握电阻应变式传感器的测量电路。 (3能够利用电阻应变式传感器进行力的测量。下一页返回任务一电子秤的设计与制作 三、知识链接 1.电阻式传感器 电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电 阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热上量的检测。它结构简单，性能稳定，成本低 廉，
2、因此，在许多行业得到了广泛应用。目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气 敏电阻和湿敏电阻等几大类。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作2.电阻应变式传感器 1)金属的应变效应 根据电阻定律，金属丝的电阻随着它所受的机械变形 (拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化，这种现象称为金属的电阻应 变效应。说明：金属丝的电阻会随应变而发生变化是因为金属丝的电阻 (R=L/A)与材料的电阻率()及其几何尺寸(长度L和截面积A)有关， 而金属丝在承受机械变形的过程中，这3种指标都要发生变化，因而 引起金属丝的电阻变化。上一页 下一页返回电阻应变片的工作原理 就是基于金属的应变效 应
3、设计而成的。任务一电子秤的设计与制作2)电阻应变片的结构和工作原理(1)电阻应变片的结构。 电阻应变片(简称应变片或应变计)种类繁多，根据需要可设计成各种 形式、各种类型的电阻应变片，但其基本结构都大体相同。基本结构 如图1-2所示。图1-2所示为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为0.025mm左右 的、高电阻率的合金电阻丝2,绕成形如栅栏的敏感栅(敏感栅为应变片 的敏感元件，它的作用是感应应变片变化的大小)。敏感栅勃结在基 底1(基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用);敏感栅上面粘贴有覆盖 面3，敏感栅电阻丝两端焊接引出线4(用以和外接导线相连)。任务一电子秤的设计与制作(2)电阻应变片的分
4、类。按照制作材料的不同，可将电阻应变片分为以下两类:金属式体型丝式、箔式、薄膜型。 半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结型。按结构分为单片、双片、特殊形状。按使用环境分为高温、低温、高压、磁场、水下。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作(3电阻应变式传感器的工作原理。 根据电阻定律，取一根金属丝，如图1-3所示，其初始的电阻为式中R金属丝的电阻， ; 金属丝的电阻率，m; L金属丝的长度，m; A金属丝的截面积，m2。 当金属丝受拉而伸长dL时，其截面积将相应减小dA，电阻率则因金 属品格发生变形等因素的影响也将改变d 这些量的变化，必然引起 金属丝电阻改变dR。上一页 下一页返回
5、任务一电子秤的设计与制作3.电阻应变式传感器的测量电路电阻应变片是可以把应变的变化转换为电阻的变化，通常为显示与记 录应变的大小，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，完成 上述作用的电路称为电阻应变式传感器的测量电路，最常用的测量电路主要有直流电桥电路和交流电桥电路。1)直流电桥电路 直流电桥电路的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感和电容的 影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和 高稳定性的放大器放大。图1-4所示为直流电桥电路。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作2)直流电桥的工作方式 在实际应用中为提高输出的灵敏度，常将多片应变片接入电桥，根据 接入电
6、桥应变片的不同，将直流电桥的工作方式分为:半桥单臂工作方式图1-5(a):半桥单臂工作是电桥中只有一个臂接入 被测量，其他3个臂采用固定电阻;半桥双臂工作方式图1-5(b):半桥双臂工作是如果电桥两个臂接入被 测量，另两个为固定电阻，就称为半桥双臂工作电桥，又称为半桥形 式; 全桥四臂工作方式图1-5(c):全桥方式是指如果4个桥臂都接入被测量 ，则称为全桥四臂形式。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作(3)交流电桥电路 交流电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作 的。此时在桥的输出端接入检流计或放大器。在输出电流时，为了使 电桥有最大的电流灵敏度，希望电桥的输出电阻应
7、尽量和指示器内阻 相等。 实际上电桥输出后连接的放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电 阻大得多，此时必须要求电桥具有较高的电压灵敏度，当有小的 R/R变化时，能产生较大的4U值。 交流电桥电路如图1-6所示，它是由交流电压u供电的交流电桥电路， 第一臂是应变片，其他3臂为固定电阻。应变片未承受应变，此时阻 值为R1，电桥处于平衡状态，电桥输出电压为0。当承受应变时，产 生 R的变化，电桥变化不平衡电压输出u0。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作4)电桥的线路补偿(1)零点补偿。在实际应用中发现，要使电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，往 往由于外界的因素变化会使电桥不能满足初始平衡条
8、件(即U00)。因 此，为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中 串联一个可调电阻进行调节补偿。如图1-7所示，进行调节可调电阻 使得电桥平衡。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作(2)温度补偿。环境温度的变化也会引起电桥电阻的变化，导致电桥的零点漂移，这 种因温度变化产生的误差称为温度误差。产生的原因有:电阻应变片 的电阻温度系数不一致;应变片材料与被测试件材料的线胀系数不同 ，使应变片产生附加应变。因此要进行温度补偿，以减少或消除由此 而产生的测量误差。电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和 应变片自补偿两大类。线路补偿法。 线路补偿法也称补偿片法。应变片通常是作
9、为平衡电桥的一个臂测量 应变的，图1-8中R1为工作片， R2为补偿片。工作片R1粘贴在试件上 需要测量应变的地方，补偿片R2粘贴在一块不受力且与试件相同的材 料上，这块材料自由地放在试件上或附近，如图1-8(b)所示。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都发生变化，而它们 的温度变化相同， R1和R2为同类应变片，又贴在相同的材料上，因 此R1和R2分别接入电桥的相邻两桥臂，则因温度变化引起的电阻变化 R1和 R2的作用相互抵消，这样就起到温度补偿的作用。 线路补偿法的优点是方法简单、方便，在常温下补偿效果较好，其缺 点是在温度变化梯度较大
10、的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温 度完全一致的情况，因而影响补偿效果。应变片自补偿法。粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加 应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为应变片自补偿法。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作如双金属敏感栅自补偿应变片，这种应变片也称组合式自补偿应变片 ，它是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正，一个为 负)的特性，将二者串联绕制成敏感栅，如图1-9所示。若两段敏感栅 R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化为 R1t和 R2t ，大小相等 而符号相反，就可以实现温度补偿，电阻R1和R2的比值关系可由式(1 -21)决定，即而其
11、中 R1t=- R2t 。上一页 下一页返回任务一电子秤的设计与制作4.电阻应变式传感器的应用 1)应变式加速度传感器 加速度传感器的结构如图1-10所示，测量加速度时，将传感器壳体和 被测对象刚性连接，当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚度很大 ，惯性质量也以同样的加速度运动。其产生的惯性力正比于加速度a 的大小，惯性力作用在梁的端部，使梁产生变形，限位块4可保护传 感器在过载时不被破坏。这种传感器在低频振动测量中得到了广泛的 应用。 2)应变式位移传感器 应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然 后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用来近 测或远测静态
12、与动态的位移量。因此，既要求弹性元件刚度小，对被 测对象的影响反力小，又要求系统的固有频率高，动态频响特性好。 图1-11(a)所示为国产YW系列应变式位移传感器结构。上一页 下一页返回图1-1电子秤返回图1-1电子秤图1-2电阻应变片的基本结构返回图1-3金属导线受力变形情况返回图1-4直流电桥电路返回图1-5直流电桥工作方式(a)返回图1-5直流电桥工作方式(b)返回图1-5直流电桥工作方式(c)返回图1-6交流电桥电路返回图1-7零点补偿返回图1-8线路补偿法返回(a)电路;(b) R1与R2的放置位置图1-9双金属效栅法返回图1-10应变式加速度传感器返回1-质量块;2-等强度梁;3-空气;4-限位块;5-应变片;6-壳体图1-11应变式位移传感器结构返回1-测量头;2-弹性儿件;3-弹簧;4-外壳;5-测量杆;6-调整螺母;7-应变计图1-12电子秤的整体设计原理返回图1-13电阻应变式桥式测量电路返回
