电阻应变式称重传感器基础知识

电阻应变式称重传感器基础知识 1.1.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等工作原理 2.2.称重传感器常用技术参数称重传感器常用技术参数 3.3.称重传感器选用的一般规则称重传感器选用的一般规则 4.4.使用称重传感器注意事项使用称重传感器注意事项 1.1.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、一、电阻应变片电阻应变片 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 ，这种材料的泊松系数是 。当这根电阻丝未受外力作用时， 它的电阻值为 R： R = L/S（） （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 L，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 。 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 = L/S + L/S SL/S2 （22） 用式（2-1）去除式（2-2）得到 R/R = / + L/L S/S （23） 另外，我们知道导线的横截面积 S = r2，则 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （24） 从材料力学我们知道 r/r = -L/L （25） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。 是表示材料横向效应泊松系数 2 。把式（24）（25）代入（2-3），有 R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L）*L/L = K *L/L （2-6） 其中 K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （-） 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。 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 。这样，式（-）常写作： R/R = K (28) 二、二、弹性体弹性体 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+）/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：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。 三三、检测电路、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称重传感器常用技术参数 用心专注，服务专业用心专注，服务专业 仪表工作在线，伴您共成长！仪表工作在线，伴您共成长！ 3 一、用分项指标表示法 在介绍称重传感器技术参数时，传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 于称重传感器的输出信号与所加的激励电压有关，所以额定输出的单位以 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：（2002 2。000） /2.000）*100% = 0.1% *非线性 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。 *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 号国际建议中采用的术语。 以OIML60 号国际建议 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。 4 *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。 *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 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。 3 3 . .称重传感器选用的一般规则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，因而不同称量系 用心专注，服务专业用心专注，服务专业 仪表工作在线，伴您共成长！仪表工作在线，伴您共成长！ 5 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）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）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: =/ n1/2 (212) 其中：单个传感器的综合误差； n：传感器的个数。 另外，电子称重系统 一般由三大部分组成，他们是称重传感器，称重显示器和机械结构件。当系统 的允差为 1 时，作为非自动衡器主要构成部分之一的称重传感器的综合误差 （）一般只能达到 0.7 的比例成分。根据这一点和式（2-12），自不难对所 需的传感器准确度作出选择。 四、某些特殊要求应如何达到 在某些称重系统中，可能有一些特殊的要求，例如轨道衡中希望称重传感器的 弹性变形量要小一些，从而可以使秤台在称量时的下沉量小些，使得货车在驶 入和驶出秤台时，减小冲击和振动。另外，在构成动态称重系统时，不免要考 虑所用称重传感器的自振频率，是否能满足动态测量的要求。这些参数，在一 般的产品介绍中是不予列出的。因此当要了解这些技术参数时，应向制造商咨 询，以免失误。 4 4 . .使用称重传感器注意事项使用称重传感器注意事项 电阻应变式称重传感器本身是一种坚固、耐用、可靠的机电产品。但为了保证 测试精度，我们仍有许多在使用中要注意的问题，下面列出一些基本要求。 一、机械安装方面 称重传感器要轻拿轻放，尤其是由合金铝制作弹性体的小容量传感器，任何 冲击、跌落，对其计量性能均可能造成极大损害。对于大容量的称重传感器， 一般来说，它具有较大的自重，故而要求在搬运、安装时，尽可能使用适当的 起吊设备（如手拉葫芦、电动葫芦等）。 安装传感器的底座安装面应平整、清洁，无任何油膜，胶膜等存在。安装底 座本身应有足够的强度和刚性，一般要求高于传感器本身的强度和刚度。 水平调整：水平调整有两个方面的内容。一是单只传感器安装底座的安装平 面要用水平仪调整水平，另一方面是指多个传感器的安装底座的安装面要尽量 6 调整到一个水平面上（用水准仪），尤其是传感器数多于三个的称重系统中， 更应注意这一点，这样做的主要目的是为了使各传感器所承受的负荷基本一致。 每种称重传感器的加载方向都是确定的，而我们使用时，一定要在此方向上 加载负荷。横向力、附加的弯矩、扭矩力应尽量避免。 尽量采用有自动定位（复位）作用的结构配件，如球形轴承、关节轴承、定 位紧固器等。他们可以防止某些横向力作用在传感器上。要说明的是：有些横 向力并不是机械安装引起的，如热膨胀引起的横向力，风力引起的横向力，及 某些容器类衡器上的搅拌器的振动引起的横向力即不是机械安装引起的。 某些衡器上有些必须接到秤体上的附件（如容器秤的输料管道等），我们应 让他们在传感器加载主轴的方向上尽量柔软一些，以防止他们“吃掉”传感器 的真实负荷合而引起误差。 称重传感器周围应尽量设置一些“挡板”，甚至用薄金属板把传感器罩起来。 这样可防止杂物玷污传感器及某些可动部分，而这种“沾污”往往会使可动部 分运动不爽，而影响称量精度。 系统有无运动不爽现象，可以用以下方法判别。即在秤台上加或减大约千分之 一额定负荷看看称重显示仪是否有反映，有反映，说明可动部分未受“沾污”。 称重传感器虽然有一定的过载能力，但在称重系统安装过程中，仍应防止传 感器的超载。要注意的是，即使是短时间的超载，也可能会造成传感器永久损 坏。在安装过程中，若确有必要，可先用一个和传感器等高度的垫块代替传感 器，到最后，再把传感器换上。 在正常工作时，传感器一般均应设置过载保护的机械结构件。 若用螺杆固定传感器，要求有一定的紧固力矩，而且螺杆应有一定的旋入螺 纹深度。一般而言，固定螺杆因采用高强度螺杆。 传感器应采用铰合铜线（截面积约