电阻应变式称重传感器

原理

　　电阻应变式称重传感器，是通过把一种被测量(质量)转换成另外一种被测量(输出)来测量质量的力传感器，其工作原理是：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。

组件

　　电阻应变式称重传感器作为质量——重量转换元件，主要由三部分组成，即电阻应变片、弹性体和测量电路。

　　1.电阻应变片（传感元件）

　　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ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

　　R = ρL/S（Ω） （2—1）

　　当它的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。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Δρ。

　　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：

　　ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2）

　　用式（2--1）去除式（2--2）得到

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （2—3）

　　另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr*Δr，

　　所以  ΔS/S = 2Δr/r （2—4）

　　Δr/r = -μΔL/L （2—5）

　　其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

　　=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

　　= K *ΔL/L （2--6）

　　其中

　　K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （２--７）

　　式（2--6））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。

　　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ΔL/L称作为应变，记作ε，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με。这样，式（２--６）常写作：

　　ΔR/R = Kε (2—8)

电阻应变片组成的电桥

　　2.弹性体（敏感元件）

　　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枣电信号的转换任务。

　　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。

　　ε = （3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2--9）

　　其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—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。

　　3.惠斯登电桥（测量电路）

　　测量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，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。

惠斯登电桥原理图

作用

　　电阻应变式称重传感器用于静态、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。电阻应变式称重传感器是电子衡器的核心部件，其质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。在实际使用中，常受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响。

检测

　　1.零点输出检查

　　零点输出，即传感器在没有载荷的情形下的输出值，所有的载荷(包括秤体、传力件等静载荷)都必须去掉的情况下，测试传感器的输出。传感器零点应该是在传感器设计安装使用要求的状态下测试所得值，防止传感器本身自重带来的错误影响。传感器应该连接在稳压电源上，采用产品说明书或样本中推荐使用的激励电压。测试纪录传感器的毫伏电压输出值，除以传感器的激励电压，就得出传感器的零点输出值(mV/V)。比较这个输出值与传感器的合格证上的数值(如果可能)或者与传感器公司的样本中相应数据，即可得出传感器的零点输出是否合格的结论。

　　分析：传感器零位性的变化一般会因为传感器的超载或受瞬间冲击导致。而如果传感器的零位周期性的变化可能是由于应变计受潮或由于其他原因导致的内部变化所致，当然这种情况也可以检测传感器的绝缘阻抗和测试桥路电阻检查出来。

　　2.测试绝缘阻抗

　　一般我们要求测试传感器的引出线和传感器本体(弹性体，外壳等)之间的阻抗。注意，将传感器和接线盒以及仪表断开。调试好绝缘测试箱(表)，然后将表笔一端接传感器的电缆线(输出，输入，屏蔽线等)，一端接传感器的本体(弹性体，外壳等)。一般要求，该阻抗≥5000MΩ。

　　注意：不得使用绝缘箱的表笔测试传感器的输入，输出阻抗，因为绝缘箱的输出电压高于传感器内部电器元件的耐压值。

　　分析：我们一般要求传感器引出线与弹性体间的绝缘阻抗≥5000MΩ。绝缘值偏低可能是由于传感器桥路受潮或局部桥路受损。特别低的绝缘阻抗(≤1KΩ)可能是传感器受潮严重而导致桥路与弹性体短接或内部连线绝缘层击穿受损。传感器绝缘低的直接表现就是传感器输出不稳定，而且会随环境条件的变化而变化，甚至受打印机的工作干扰。

　　3.测试桥路阻抗

　　测试桥路阻抗就是检测传感器桥路的完整性，检测时，应将传感器同接线盒和其它测试设备断开。输入和输出阻抗测试是用数字万用表表笔依次在传感器的输入端头和输出端头处量取阻抗值，对比测试值与产品的合格证的数值;桥路对称度的确认是指用数字万用表量取一个输入端同一个输出端间的阻抗，依次量取可以得出4组阻抗值，在完全对称补偿的传感器中，该四组阻抗值的极差值不得大于1Ω(精度低的万用表该值不得大于2Ω)。

　　分析：桥路阻抗的变化常常是由于桥路受损或断开，电子元器件失效或内部短路。这可能是由于大电流或电压(雷击或焊接电流)击穿烧毁电桥，或者由于冲击或震动疲劳导致，或者超高温度等原因导致。

　　4.测试传感器输出

　　将传感器单独接在稳压电源上，使用激励电压10～15VDC。将传感器的输出端接在毫伏表上(或将万用表打在直流毫伏档)，依据传感器的安装使用状态，在传感器的加载端上加载，观测传感器的输出变化。

　　分析：正常情形下，传感器应该有一个正向的输出。如果传感器的输出异常，可能是由于传感器接线错误或者传感器应变计与弹性体基体脱落、内部断路等导致。

电阻应变式称重传感器检测步骤