電阻應(yīng)變式傳感器在電子秤中的應(yīng)用

李玲

摘 要：應(yīng)變片里面的材料隨著外界的應(yīng)變伸長或縮短，其阻值也就會相應(yīng)地變化。電阻應(yīng)變式傳感器中應(yīng)變電阻的變化極其微弱，僅為0.2%左右，一般使用惠斯通電橋進(jìn)行測量。其作為稱重傳感器使用時(shí)，將根據(jù)不同的量程選用不同的彈性體。通過典型電子秤線路的介紹，進(jìn)一步分析了應(yīng)變式傳感器在電子秤中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變片；原理；稱重傳感器選擇；電子秤中應(yīng)用

1 引言

電子秤中的電阻應(yīng)變式傳感器又稱稱重傳感器，是一種能夠?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牧?-電轉(zhuǎn)換裝置，是電子衡器的一個(gè)關(guān)鍵部件。能夠?qū)崿F(xiàn)力--電轉(zhuǎn)換的傳感器有多種，但絕大多數(shù)衡器產(chǎn)品所用的還是電阻應(yīng)變式稱重傳感器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，精度較高，線性度好，且能夠在相對比較差的環(huán)境下使用。因此電阻應(yīng)變式稱重傳感器在電子衡器中得到了廣泛的運(yùn)用。

2 電阻應(yīng)變式傳感器的原理

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下伸長或縮短時(shí)，它的電阻值會相應(yīng)地發(fā)生變化，將應(yīng)變片貼在被測物體上，使其隨著被測物的應(yīng)變一起伸縮，這樣應(yīng)變片里面的金屬材料就隨著外界的應(yīng)變伸長或縮短，其阻值也就會相應(yīng)地變化。應(yīng)變片就是利用應(yīng)變效應(yīng)，通過測量電阻的變化而對應(yīng)變進(jìn)行測量的。

2.1 應(yīng)變

電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。在稱重傳感器中大多數(shù)使用的是金屬電阻應(yīng)變片。

將電阻絲排成柵網(wǎng)狀，粘貼在厚度約為15～16um的絕緣基片上，電阻絲兩端焊出引出線，最后用覆蓋層進(jìn)行保護(hù)，即成為應(yīng)變片。使用時(shí)只要將應(yīng)變片貼于被測物體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。

一般金屬應(yīng)變片的電阻變化率為常數(shù)，應(yīng)變片的阻值與應(yīng)變成正比例關(guān)系，即

3 稱重傳感器的構(gòu)成及主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 應(yīng)變式稱重傳感器的構(gòu)成

電阻應(yīng)變式稱重傳感器由彈性元件、應(yīng)變片和外殼所組成，電子秤的稱重傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器，其彈性元件是應(yīng)變梁。彈性元件是稱重傳感器的基礎(chǔ)，被測物的重量作用在彈性元件上，使其在某一部位產(chǎn)生較大的應(yīng)變或位移；彈性元件上的應(yīng)變片作為傳感元件，將彈性元件敏感的應(yīng)變量或位移完全地同步地轉(zhuǎn)換為電阻值的變化量，然而再通過測量電橋轉(zhuǎn)換成電信號，以完成對重力的測量。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家已將電阻應(yīng)變片和彈性元件做成一體，集成化。

3.2 應(yīng)變片的阻值

電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)。但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜；而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。電阻應(yīng)變片的阻值一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

3.3 激勵(lì)電壓

惠斯通電橋橋路需要一定的激勵(lì)電壓。橋路激勵(lì)電壓太高，橋路電阻容易自熱；太低，又會使橋路輸出太小。一般約為幾伏到十幾伏。

3.4 靈敏度

稱重傳感器的靈敏度一般在1～2 mV/V之間。

4 稱重傳感器的選擇

傳感器彈性元件一般是由優(yōu)質(zhì)合金鋼材、有色金屬鋁、鈹青銅等材料制成，其外形結(jié)構(gòu)多種多樣。常見的有柱式、懸臂梁式、環(huán)式、

輪輻式等。不同結(jié)構(gòu)的傳感器的量程范圍、安裝形式和適用場所也不盡相同。稱重傳感器的選擇，量程是最為重要的因素。

4.1 柱式稱重傳感器

柱式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和外形如圖2所示，其敏感元件為圓柱體，在細(xì)的部位粘貼有四片或八片應(yīng)變片。這種傳感器的特性是結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于加工，可設(shè)計(jì)成壓式或拉式，或拉、壓兩用式，此種稱重傳感器可以承受很大的載荷。其缺點(diǎn)是靈敏度低、精度低等。常用于大、中量程（1～500t）電子秤。

4.2 柱環(huán)式稱重傳感器

柱環(huán)式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)與圓棒一體加工，在中央打孔，在孔內(nèi)粘貼有4個(gè)應(yīng)變片，在集中載荷作用下，四個(gè)應(yīng)變片可獲得大小相等而方向相反的應(yīng)變。其輸出靈敏度較高、線性度較好。常用于中、小量程（0.5～50t）電子秤。

4.3 懸臂梁式稱重傳感器

如圖4所示稱重傳感器的彈性元件為雙孔平行梁式彈性元件，由于彈性體成平行四邊形，因此其輸出不受力作用點(diǎn)位置變動的影響。常用于小量（500g～500kg）電子秤。

4.4 環(huán)式稱重傳感器

環(huán)式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和外形如圖5所示。由于其載荷的作用點(diǎn)和支持點(diǎn)在同一軸線上，因此它的受力狀態(tài)穩(wěn)定。量程為5kg～5t電子秤通常采用此種結(jié)構(gòu)的稱重傳感器，其精度可達(dá)0.02%。

4.5 輪輻式稱重傳感器

輪輻式稱重傳感器結(jié)構(gòu)主要由五個(gè)部分組成，輪轱、輪圈、輪輻條、受拉和受壓應(yīng)變片。輪輻和輪圈的剛度很大，因此其過載能力很強(qiáng)，線性測量范圍也比較寬。量程為5～50t電子秤通常采用此種結(jié)構(gòu)的稱重傳感器。

5 小結(jié)

電子秤是稱重技術(shù)中的一種新型儀表，廣泛應(yīng)用于各種場合。電子秤與機(jī)械秤比較有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低、實(shí)用性強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，可在各種環(huán)境工作，重量信號可遠(yuǎn)傳，易于實(shí)現(xiàn)重量顯示數(shù)字化，易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，帶來社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。電子秤中的電阻應(yīng)變式稱重傳感器，是一種能夠?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牧?-電轉(zhuǎn)換裝置，是電子衡器的一個(gè)關(guān)鍵部件絕大多數(shù)電子秤所用的還是電阻應(yīng)變式稱重傳感器。。因此，電阻應(yīng)變式傳感器有著廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

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