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1、2.1 电 阻 应 变 式 称 重 传 感 器 等 工 作 原 理电阻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。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要 部分。下面 就这三方面简要论述。一、电阻应变片电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。 他的一个重要参
2、数是灵敏系数K我们来介绍一下它的意义。设有一个金属电阻丝，其长度为L,横截面是半径为r的圆形，其面积记作S,其电阻率记作P,这种材料的泊松系数是卩。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：R =pL/S(Q)(21)当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长AL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少 r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Po对式( 2-1 )求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有:R =A pL/S +Lp/S -SpL/S2(22)用式( 2-1 )去除式( 2-2 )得到A R/R =A p /
3、 p +AL/L - AS/S (2 3 )另外，我们知道导线的横截面积S = n r2,贝U A s = 2 n r* A r,所以A S/S = 2 A r/r( 2 4)从材料力学我们知道A r/r = - A L/L (2 5)其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。 卩是表示材料横向效应泊松系数。把式（24）（25）代入（ 2-3 ），有 R/R = p / p + L/L + 2 卩厶 L/L=（1 + 2 卩仏 p / p ） / （ L/L ） ） * L/L= K * L/L （2-6 ）其中K = 1 + 2 卩 + （ p / p）/（ L/L）（2 - 7）式（ 2-6
4、 ）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对 变化）之间 的关系。需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7 3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。在材料力学中 L/L称作为应变，记作，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便常常把它的百万分之一作为单位，记作 卩。这样，式 （2-6）常写作： R/R = K （2 8）二、弹性体弹性体是一个有特殊形状的结构件。 它的功能有两个， 首先是它承受称重传感器所受的外力， 对外力 产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要
5、产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在 此区的电阻应变片 比较理想的完成应变棗电信号的转换任务。以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为 拉神，一为 压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加， 而应变片的下半 部将受压缩，阻值减 少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。= ( 3Q (1+卩) /2Eb ) * ( B( H2-h2 ) +bh2) / ( B ( H3-h3 ) +bh3)( 2-9 )其中：Q-截面上的剪
6、力；E-扬氏模量：卩一泊松系数；B b、H h为梁的几何尺寸。需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状 态。三、检测电路检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响， 可以抑制侧向力干扰， 可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题 等，所以 惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称 重传感器均 采用全桥式等臂电桥。2 2 称 重 传 感 器 常 用 技 术 参 数一、用分项指标表示法 在介绍称重传感器技术参数时，传
7、统的方法是采用分项指标，其优点是 物理意义明 确，沿用多年，熟悉的人较多。我们现在列出其主要项目如下：*额定容量 生产厂家给出的称量范围的上限值。*额定输出(灵敏度) 加额定载荷时和无载荷时， 传感器输出信号的差值。由于称重传感器的输 岀信号与所加 的激励电压有关，所以额定输岀的单位以mV/V 来表示。并称之为灵敏度。* 灵敏度允差 传感器的实际稳定输出与对应的标称额定输出之差对该标称额定输出的百分比。例如，某称重传感器的实际额定输出为2.002mV/V，与之相适应的标准额定输出则为2mV/V，则其灵敏度允差为：( 2. 002- 2。 000) /2.000) *100% = 0.1%*非线
8、性 由空载荷的输出值和额定载荷时输出值所决定的直线和增加负荷之实测曲线之间最大 偏差对于额定 输出值的百分比。* 滞后允差从无载荷逐渐加载到额定载荷然后再逐渐卸载。在同一载荷点上加载和卸载输出量的最大差值 对额定输出值的百分比。* 重复性误差在相同的环境条件下，对传感器反复加荷到额定载荷并卸载。加荷过程中同一负荷点上输出 值的最大差值对额定输出的百分比。* 蠕变在负荷不变（一般取为额定载荷），其它测试条件也保持不变的情形下，称重传感器输出随时间的 变化量对额定输出的百分比。* 零点输出在推荐电压激励下，未加载荷时传感器的输出值对额定输出的百分比。* 绝缘阻抗传感器的电路和弹性体之间的直流阻抗值
9、。* 输入阻抗信号输出端开路，传感器未加负荷时，从电源激励输入端测得的阻抗值。* 输出阻抗电源激励输入端短路，传感器未加载荷时，从信号输出端测得的阻抗。* 温度补偿范围在此温度范围内，传感器的额定输出和零平衡均经过严密补偿，从而不会超出规定的范 围。*零点温度影响环境温度的变化引起的零平衡变化。一般以温度每变化 10K 时，引起的零平衡变化量对额 定输出的百分比来表示。* 额定输出温度影响环境温度的变化引起的额定输出变化。一般以温度每变化 10K 引起额定定输出的变化 量额定输出的百分比来表示。* 使用温度范围传感器在此温度范围内使用其任何性能参数均不会产生永久性有害变化二、在OIML60号国
10、际建议中采用的术语。以0IML60号国际建议9 2年版为基础，参考JJG669- -90 称重传感器检定规程新的技术参数大致有：*称重传感器输出被测量（质量）通过称重传感器转换而得到的可测量。*称重传感器分度值称重传感器的测量范围被等分后其中一份的大小。*称重传感器检定分度值（V）为了准确度分级，在称重传感器测试中采用的，以质量单位表达的称重传感 器分度值。*称重传感器最小检定分度值（Vmin）称重传感器测量范围可以被分度的最小检定分度值勤。*最小静负荷（ Fsmin ）可以施加于称重传感器而不会超出最大允许误差的质量的最小值。*最大称量可以施加于称重传感器而不会超出最大允许误差的质量的最大值
11、。*非线性（L）称重传感器进程校准曲线与理论直线的偏差。*滞后误差（H）施加同一级负荷时称重传感器输出读数之间的最大差值；其中一次是由最小静负荷开始的进程读数，另一次是由最大称量开始的回程读数。*蠕变（ Cp） 在负荷不变，所有环境条件和其它变量也保持不变的情况下，称重传感器满负荷输 出随时间 的变化。*最小静负荷输出恢复植 （ CrFsmin ）负荷施加前， 后测得的称重传感器最小静负荷输出之间的差 值。*重复性误差（ R） 在相同的负荷和相同的环境条件下，使连续数次进行实验所得的称重传感器 输出读数之 间的差值。*温度对最小静负荷输出的影响（Fsmin ） 由于环境温度变化而引起的最小静负
12、荷输出之间的变化。*温度对输出灵敏度的影响（ St） 由于环境温度变化而引起的输出灵敏度的变化。*称重传感器测量范围 被测量（质量）值范围，测量结果在此范围内不会超出最大允许误差。*安全极限负荷 可以施加于称重传感器的最大负荷， 此时称重传感器在性能特征上， 不会产生超 出规定值 的永久性漂移。*温湿度对最小静负荷输出影响（FsminH） 由于温湿度变化而引起的最小静负荷输出的变化。*温湿度对输出灵敏度的影响 由于温湿度变化而引起的输出灵敏度的变化。此外，在 JJG69990 称重传感器检定规程中，还列出了一个技术参数，即*最小负荷（ Fmin） 力发生装置能达到的最接近称重传感器最小静负荷的
13、质量值。正是因为传感器测量时，总要在测力机上进行，而又很难直接测量最小静负荷点性能。再要说明一点，OIML60号国际建议是专门为称重传感器而制定的，它对称重传感器的评定的出发点就是要适应衡器的要求。当传感器用于其它目的时，这种评估方式不一定最合适。2 . 3称 重 传 感 器 选 用 的 一 般 规 则在电子衡器中，选用何种称重传感器，要全面衡量。下面就称重传感器的结构形式、量程， 准确度等级 的选择上讲述一般要考虑的几个方面。一、结构、形式的选择选用何种结构形式的称重传感器，主要看衡器的结构和使用的环境条件。如要制作低外形衡 器，一般应 选用悬臂梁式和轮幅式传感器，若对外形高度要求不严，则可
14、 采用柱式传感器。此 外，衡器使用的环境若 很潮湿， 有很多粉尘， 则应选择密封形式较好的； 若在有爆炸危险的场合， 则应选用本质安全型传感 器；若在高架称重系 统中，则应考虑安全及过载保护；若在高温环境 下使用， 则应选用有水冷却护套的称重传感器； 若在高寒地区使用，则应考虑采用有加温装置的 传感器。在形式选择中，有一个要考虑的因素是，维修的方便与否及其所需费用，即一旦称重系统出了毛 病，能否很顺利、很迅速的获得维修器件。若不能做到就说明形式选择不够合适。二、量程的选择称重系统的称量值越接近传感器的额定容量，则其称量准确度就越高，但在实际使用时，由于存在秤体 自重、皮重及振动、冲击、偏载等，
15、因而不同称量系统选用传感器的量限的原则有很大差别。作为一般规 则，可有：*单传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+变动负荷（需称量的载荷）W所选用 传感器的额定载荷X 70%*多传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+变动负荷（需称量的载荷）W选用传感器额定载荷X所配传感器个数X 70%其中 70%的系数即是考虑振动、冲击、偏载等因素而加的。需要说明的是：首先，选择传感器得额定容量要尽量符合生产厂家的标准产品系列中的值，否则，选用 了非标准产品，不但价格贵，而且损坏后难以代换。其次，在同一称重系统中，不允许选用额定容量不同的传感器，否则，该系统没法正常工作。再者，所谓变动负荷（需称量的载荷）是指 加于传感器的真实载荷，若从秤台到传感器之间的力值传递过程中，有倍乘和衰减的机构（如杠杆系统），则应考虑其影响。三、准确度的选择称重传感器的准确度等级的选择，要能够满足称重系统准确度级别的要求，只要能满足这项要求即可。 即若 2500分度的传感器能满足要求，切勿选用 3000分度的。若在一称重系统中使用了几只相同形式， 相同额定容量的传感器并联工作时，其综合误差为，则有： = / n
