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1、应变式测力与称重传感器摘要：当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息社会的重要技术基础，应变式力传感器用作静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。关键词：应变式测力传感器；应变式称重传感器；电阻应变片；电桥；线性度一、应变式测力与称重传感器原理：应变式测力与称重传感器的工作原理是以应变效应为基础的。它由弹性体、电阻应变片及若干元器件组成。将四片（或 8 片） 电阻应变片粘贴在弹性体上, 当有负荷作用时, 弹性体在贴片处即产生拉、压成双的弯曲应力（或剪应力
2、）, 从而使应变片发生阻值变化, 利用惠斯顿电桥电路就可输出电信号（见图 1） ，传感器的工作原理框图如图 2 所示。(一)信号处理电路1.转换电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化 R，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。2.直流电桥（1）直流电桥的工作原理 四臂电桥如上图所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零，则流过负载电阻 LR的电流为 )()()( 214343214321 RRRUIL L=0 时电桥平衡，则平衡条件为： 3241若将应变
3、片接入电桥一臂，应变片的阻值变化量可以用检流计转换为电流 LI的大小表示（称偏转法） ，也可以用改变相邻桥臂阻值的方法，使 LI恢复到零（称零读法）然后根据相邻桥臂阻值的变化来确定应变片的阻值变化。（2）不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥输出电阻大很多，可以把电桥输出端看成开路，电桥的输出式为： URU)(432140应变片工作时，其电阻变化 R，此时有不平衡电压输出。R)1(1(3421340设桥臂比 12Rn,由于电桥初始平衡时有 412，略去分母中的 1R，可得：URn120)(电桥灵敏度定义为 10Ku，可得单臂工作应变片的电桥电压灵敏
4、度为Unu2)(显然， uK与电桥电源电压成正比，电源电压的提高，受应变片允许功耗的限制。u与桥臂比 n有关。当电桥电源电压 u一定时， n应取何值时，电桥灵敏度最高。取 0d时， u为最大，得42)1(，所以 1时，即 21R，43R时 uK为最大。当 1n时，：104RUKu上述表达式表明，当电源电压 及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻值的大小无关。 1n时的电桥，称对称电桥，常采用这种电桥的形式。直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，在测量中常用直流电桥。（3）电桥的非线性误差因为：UnRU)1(10非线性误
5、差为：110 RnUrL对于对称电桥， 1n时：112RrL将 )21(1R按幂级数展开代入，再略去高阶量，可得： 12rL可见非线性误差 Lr与 1成正比。对金属电阻丝应变片，因为 R非常小，电桥非线性误差可以忽略，对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多，受应变时 很大，非线性误差将不可忽略。（4）减小非线性误差常采用的措施采用差动电桥，在试件上安装两个工作应变片，一片受拉，一片受压，然后接入电桥相邻臂。电桥输出电压为： 43210 RRU设初始时为 R4321， ，则上式可简化为： RU20可见，这时输出电压 0与 成一定的线性关系，而且电桥灵敏度比单臂时提高一倍，此外还具有温度补偿作
6、用。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置多个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，与上同理，可得输出电压为：RU10（1）温度误差：用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称应变片的温度误差，又称热输出。敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化 t时，敏感栅材料电阻温度系数为 t，则引起的电阻相对变化为：tRt1)(试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化 时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩） ，引起的电阻相对变化：tkRgt )()(2式中： k应变片灵敏系数；
7、 g试件膨胀系数； 应变片敏感栅材料的膨胀系数因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为：tktRg)(相应的热输出为：ttkgt )()( （2）温度补偿：通常补偿温度误差的方法有应变片线路补偿法，而常用的最好的补偿方法是电桥补偿法。如上图所示，工作应变片 1R安装在被测试件上，另选一个其特性与 R1 相同的补偿片BR，安装在材料与试件相同的某补偿件上，温度与试件相同，但不承受应变。 1R与 B接入电桥相邻臂上，造成 1与 B相同，根据电桥理论可知，其输出电压 0U与温度变化无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不需补偿元件并兼得灵敏度的
8、提高。如下图测量梁的弯曲应变时，将两个应变片分贴于上下两面对称位置， 1R与 B特性相同，所以二电阻变化值相同而符号相反。但 1R与 B接入电桥，因而电桥输出电压比单片时增加 1 倍。当梁上下面温度一致， B与 可起温度补偿作用。电桥补偿法简易可行，使用普通应变片可对各种试件材料在较大温度范围内进行补偿，因而最为常用。此方法的缺点是不能补偿因温度变化引起的电桥不平衡。（二）传感器原理实例举几个简单的例子来说明传感器的原理，如图所示。图 3 柱式力传感器原理图图 4 梁式力传感器原理图上面两个例子简单说明了传感器的工作原理，其中图 3 是柱式力传感器原理图。当圆柱里的应变片受力变形时， 1R、
9、2会随力增加而缩短，同时，外面的电阻 3R会受应力而拉伸。在弹性范围内，应力与应变成正比关系：SEFl式中： F作用在弹性元件上的集中力； 圆柱的横截面积。这个公式说明应力的变化和圆柱体受力的大小和圆柱的横截面积有关，其中一个变化应力就随着变化。同样的道理图 4 是梁式力传感器的简易原理图，弹性元件为一端固定的悬臂梁，力作用在自由端，顺着 l的方向分别贴上 1R， 2， 3， 4电阻应变片。此时， 1R、 4随力增加而拉伸， 2R、 3随力增加而压缩，两者发生极性相反的等量应变，粘贴应变片处的应变为：EbRFl26这种传感器会因受力的变化应力也改变。上述这两种传感器具有结构简单、加工容易、应变
10、片容易粘贴、灵敏度高等特点。电阻应变式传感器的信号处理电路。二、应变式测力与称重传感器的组成结构传感器亦称变换器，是将各种非电量（包括物理量，化学量，生物学量等）按一定的规律转换成便于处理和传输的另外一种物理量（一般为电量、磁量等）的装置，它能把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路 3部分组成，有时还需加上辅助电源，其原理如图所示。传感器原理框图其中：（1）敏感元件直接感受被测物理量，如在应变式传感器中为弹性元件；（2）传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件；（3）测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路
11、，使用较多的是电桥电路。由于传感器元件输出的信号一般较小，大多数的测量电路还包括放大电路，有的还包括显示器，直接在传感器上显示出所测量的物理量；（4）辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。 （下面具体介绍这几种元件的性能）（1）敏感元件：敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。例如铂式电阻能根据感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降做出的响应，所以铂式电阻就是一种温度敏感元件。又如弹性膜盒能根据感受压力的高低而引起形变，形成程度就是对压力高低做出的响应。因此，弹性膜盒是一种压力敏感元件。为了获得被测变量的精确数值，不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵敏
12、，还希望它不受或少受其它环境因素的影响。也就是说，敏感元件的输出响应最好单值地取决于输入被测变量。例如箔电阻的阻值除受温度影响外，也受应力的影响，这就要求用适当的工艺消除应力。弹性膜盒的形变除取决于压力变化外，也和环境温度变化有关，必要时应采取温度补偿措施。敏感元件的输出响应与输入变量之间如果是线性关系，当然最便于应用。即使是非线性关系，只要这种关系不随时间而变化，也可以满足使用的基本要求；（2）传感元件：传感器不只是一般的敏感元件，它的输出响应还应该必须是易于传送的物理量，所以就要用到传感元件。传感元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成易于传递的物理量的部分。例如弹性膜盒的输
13、出响应是形变，是微小的几何量（位移） ，不便于远距离传送；（3）测量电路：转换电路是将转换元件输出的可用信号作为输入，将其进行放大、显示和记录的电路。转换电路的类型和被测量、测量原理以及转换元件有关，常用的电子器件有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。三、应变式测力与称重传感器的区别应变式测力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一种电阻应变式传感器。传统的应变式测力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器。将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外施压力作用时，弹性敏感元件将产生应变，电阻应变片将它们转换成电阻变化，再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。因具有结构简单
14、、使用方便、测量速度快等特点而广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等诸多领域。应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小） ，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流） ，从而完成了将外力变换为电信号的过程。四、应变式测力与称重传感器的应用：例 1：重量的自动检测配料设备例 2：检测耗能设备有关参数应变式测力传感器在功率测定方面的应用就是这种例子。测功机广泛应用于使用中的汽车、拖拉机、飞机、船舶、工程机械、矿山机械的实际抢出
15、功率和工作效率的在线检测, 它为设备优化设计和质检提供可亦的数据。以前的测功机采用机械刻度盘式, 目前正逐渐被带徽机的数显式测功机所取代。功率测定对于确定新设计的动力机械的工作能力、能源消耗、效率、使用寿命及安全性能等都是一个极为重要的特性参数, 对老设备进行技术改造也需要进行功率测定。功率测定的首要问题是选择合适的测力传感器, 这种传感器既要满足一定的技术指标, 又要满足设备的结构尺寸要求。例如, SL 型传感器就是为改造小功率柴油机测功设备而专门研制的。现在，应变式测力传感器在柴油机生产等行业得到广泛应用, 为提高内燃机的品质、降低能耗起到重要的作用。例 3 煤气包储量检测 例 4 冲床生产计数和生产过程监测例 5 电子称例 6 天平称重传感器 B 的一头固定在天平底座 D 上, 被称物体 F 对称盘 A 产生压力 F1, F1 使传感器产生变形, 应变片受力后拉伸或压缩, 电桥失去平衡, 同时产生差动信号, 通过输出端1、2、3、4 传送到天平的测量线路, 然后由天平的线路来完成整个天平的测量过程。五、结语应变式测力与称重传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性特性好等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重量等测试中有非常广泛的应用。随着科学技术的发展，它为众多新型的传感器提供了基础，发挥着越来
