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1、称重传感器原理及补偿, 赛多利斯科学仪器 高翠翠,load cell principle and compensation circuit,Sartorius instrument BJ. gaocuicui,主要内容（content）,电阻应变式称重传感器的原理(LC-principle) 电阻应变式称重传感器的结构；(LC structure) 应变计原理介绍；(resistance strain gauge) 组桥测量原理。(principle of the measuring bridge) 称重传感器的电路补偿(compensation circuit) 零点温度补偿(Tempera
2、ture zero-point adjustment ) 零点输出补偿(zero-point adjustment) 灵敏度温度补偿（Temperature sensitivity adjustment） 灵敏度标准化调整(sensitivity adjustment) 输出电阻标准化调整(output resistance adjustment) 输入电阻标准化调整(input resistance adjustment),电阻应变式称重传感器（LC-principle）,原理,基本结构(Structure),称重传感器：将物体的质量转化为电信号。力电转换 电阻应变传感器由1)弹性体，2)电
3、阻应变片，3)补偿元件，4)密封材料等组成。,电阻应变式传感器原理(principle ),电阻应变式传感器利用电阻应变计构成的惠斯顿电桥，通过测量弹性体的应变而测得与之成正比的外力（重量）。 一般由四应变计组成的惠斯登电桥粘贴在弹性体上，当弹性体由于外力发生弹性形变时，四个电桥的两个相对的臂伸长，电阻变化+R，另外两个相对臂压缩，电阻变化- R；,力形变,形变电阻变化,电阻变化电压输出,怎样从力电信号呢？FdRuo,常见分类(types),按结构型式分：弯曲梁式，剪切梁式， S 形拉式，柱式等,不同称重传感器应变片的粘贴方式,电阻应变片（resistance strain gauge）,结构
4、：敏感栅(sensitive grid)、 基底、盖层、 引线 功能：把构件表面的形变量 转化为电信号(电阻变化)；,材料的应变电阻特性,敏感栅材料的要求,敏感栅材料的要求： 1.灵敏系数Ks高，在较大应变范围保持常数 康铜丝在弹性状态和塑性状态下，Ks值基本上是常数； 2.电阻率高，分散度小，随时间变化小； 3.电阻温度系数小，且在宽的温度范围内保持不变，减小温 度带来的影响； 4.分散度小，对温度循环有完全的重复性； 5.延伸率高，耐蚀性好，疲劳强度高； 6.焊接性能好等。,材料类型: 金属（铜镍合金、镍铬合金）/半导体/金属氧化物 金属：Ks=2.04.0 半导体：Ks=150,基底,基
5、底材料要求： 1.柔软，有一定的机械强度； 2.粘结性能和绝缘性能好； 3.蠕变和滞后现象小； 4.不吸潮，能在不同温度下工作。 常用基底材料： 纸，胶膜，玻璃纤维布，金属薄片等。,引线和盖层,引线要求： 1.引线应具有低且稳定的电阻率； 2.具有小的电阻温度系数。 引线常用材料：多用紫铜，铍青铜等。 盖层： 作用：保护敏感栅，避免机械损伤，防止高温氧化。 材料：基底的胶膜或玻璃纤维布等。,应变计的工作特性即考察的技术指标,应变计的电阻值：60，120，200，350，500，1000； 应变计的灵敏系数（一般2.04.0） 应变计横向效应系数（一般0.1%5%） 应变计的机械滞后 应变计的零
6、点漂移和蠕变 应变计的应变极限 应变计的疲劳寿命 应变计的绝缘电阻 应变计的温度特性 应变计的最大工作电流,组桥测量原理(principle of measuring grid),对电桥电路：,对应变计：,至此基本测量功能实现,有了弹性机体，应变计和组成的电桥电路,应变电阻变化,力应变,电阻输出电压,传感器的基本测量特性,计量性能： 线性； 滞后； 重复性； 蠕变； 零点； 量程温度系数等。 其它指标： 灵敏度输出； 输入/出阻抗； 绝缘阻抗等。,我们最关心的技术指标,称重传感器的特性曲线需要最理想的,各项主要指标： 1 精度等级:C3 2 额定输出:2mv/V 3 非线性:0.02%F.S
7、4 重复性:0.01%F.S 5 滞后: 0.02%F.S 6 零点输出: 1%F.S 7 蠕变(30分钟): 0.02%F.S 8 零点温度系数: 20ppm/C 9 灵敏度温度系数:20ppm/C 10 补偿温度范围:-10C- +40C 11 使用温度范围:-20C- +65C 12 绝缘电阻:5000 M 13 安全超载:150%F.S 14 极限超载: 300%F.S 15 防护等级:IP67,基本补偿电路,称重传感器电路补偿的主要项目有 零点温度补偿 零点输出补偿 灵敏度温度补偿（弹性模量补偿） 灵敏度标准化调整 输出电阻标准化调 输入电阻标准化调整,正做着补偿呢！,温度对传感器的
8、影响,1.零点温度补偿,零点输出：称重传感器在无外载荷作用时的输出. 零点温度漂移：零点输出受环境温度的影响, 随环境温度的变化而变化, 称 之为. A tip：都可以看成是电桥电路四个桥臂电阻温度系数不一致。 对策：找出个桥臂中电阻温度系数小的桥臂，在其上串入一个电阻温度 系数较大的零点温度补偿电阻，以提高这个桥臂总的电阻温度系数。 材料：铜(a=0.0041/)、镍(a=0.0068/)、钴镍合金 tips： 根据高温和常温输出电压差的正负判断补偿电阻串 接在哪个桥臂上； 根据的大小计算的大小。,零点温度补偿电路,2.零点输出补偿,使称重传感器的零点输出接近为0所做的调整。 补偿方法：在无
9、外载荷作用时，测出传感器的零点输出值，然后在某一桥臂中串接一个低电阻温度系数的零点输出补偿电阻。 材料：电阻率要高；电阻温度系数小；应变片灵敏系数低。锰铜、康铜。 Tips： 1.根据输出电压的正负确定串接在哪个桥臂中； 2.根据的大小确定补偿电阻的大小。,零点输出补偿电路,零点输出补偿电阻的计算,U0：补偿前零点输出电压值 Rz：补偿电阻的值,3.灵敏度温度补偿,称重传感器的灵敏度S用下式表示：,Uo：传感器的额定输出mV Ui：传感器的供桥电压V,圆柱式的灵敏度计算公式： 剪切梁式灵敏度计算公式：,传感器的额定载荷； 电阻应变计的灵敏系数； 弹性元件材料的泊松比； 弹性元件材料的弹性模量；
10、 圆柱式弹性元件的外径； 、b、H、h-剪切式弹性元件工字型或矩形截面尺寸参数。,温度对灵敏度的影响,温度变化时，材料的弹性模量E变化最大（E温度系数为负），直接影响材料的灵敏度，造成很大的测量误差。 0.030.05%/即 温度每变化10，灵敏度变化2%5%这个也太大了,思路：温度变化使E/Ui保持不变-灵敏度S就可以保持不变； 方法：在电桥的供桥回路中串接补偿电阻RM，当温度升高， RM随之变大，分压作用变大，供桥电压减小。,UoUi/E (Ui为实际供桥电压),-4,温度灵敏度补偿电阻的计算,弹性元件的线膨胀系数； 弹性模量E的温度系数； 灵敏度温度补偿电阻的温度系数； 应变计灵敏系数的
11、温度系数； 应变计的电阻温度系数。,灵敏度温度误差是一个系统误差，它主要取决于弹性元件和电阻应变计的材料，很少程度与弹性元件的结构有关！,4灵敏度标准化调整,即：灵敏度调整到标准值。 思路:在电桥的供桥回路上串联灵敏度标准化调整电阻Rs 即在电源电压不变的情况下，通过在供桥回路上串联电阻可以改变实际的供桥电压。,说明： S0未串入Rs时实测的灵敏度 S串入Rs调整后要求的灵敏度 REC桥路EC两点间的电阻值,材料要求： 电阻温度系数小，如锰铜，多用优于50或25ppm/的高精度，高稳定度的环氧膜压封型金属膜电阻,5.输出电阻标准化调整,背景：当多只传感器并联使用时，要求：每只传感器的灵敏度和输
12、出电阻相同。否则：传感器并联后输出的平均值有较大的称量误差。 调整方法：在电桥电路的 输出回路上串接一个 高精度低电阻温度系数的调整电阻R0 。,Tips： 当输出电阻的实测值小于要调整 的标准值时，输出回路上串接调整电阻R0； 当输出电阻的实测值大于要调整 的标准值时，输出回路上并联调整电阻R0；,补偿电阻： R0最好使用高精度、高稳定度、低温度系数的环氧压膜封装型金属膜电阻。,6.输入电阻标准化调整,方法：在电桥的供桥回路上并联一个输入电阻标准化调整电阻Ri。,RFG未并入Ri时桥路F、G两点间的电阻值； RB输入电阻要求的标准值。,完整的传感器补偿与调整电路,实际的补偿电路,为电桥电路各项参数对称，提高抗干扰能力，应温度灵敏度补偿，灵敏度标准化调整和输出电阻标准化调整的补偿电阻分成相等的两部分，对称的串接在供桥回路和输出回路上。,补偿规则注意(notice)：,按照顺序一环扣一环，以免后者影响前者； 属于批量生产传感器的关键工艺和技术，需要较先进的工艺设备和仪器； 在制作高精度传感器时需要实际测量进行补偿。,谢谢！,结束,thats all ,thank you !,
