模块二、重量检测.ppt

机、电类 传感器与检测技术项目教程 模块二、重量检测 课件 统一书号： ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“重量”、“质量”、“力”、“重力”等基本概念、重力测量的基本方法、应变计的组桥、零点调整、温度补偿、荷重传感器的选型、信号计算、汽车衡的安装及使用、故障诊断等知识，还介绍了皮带秤的应用。还介绍了计量领域经常用到的“检定” 等概念。,内容简介,今天是：2019年6月17日星期一,知识链接：质量、重力 与重量的基本概念 项目一、商用电子秤 项目二、汽车衡 拓展资料、皮带秤,模块二、重量检测 目录,現在時間是：05:42,一、质量的基本概念 （质量是国际单位制的7个基本单位之一）,图2-1 放在抽真空玻璃器皿里的 国际千克原器IPK,质量越大，惯性就越大，物体受力时运动状态的变化就越困难。物体受力后产生的加速度a与所受的力f成正比，与质量m成反比，三者之间的关系可以用下式表示：,a=F/m,二、重力、重量的概念,重力用字母W或F表示，单位用N表示。,W=mg，W为重力（N）， m为质量（kg）， g为重力加速度,项目一 商用电子秤,【项目教学目标】 知识目标 1）掌握应变计和直流电桥的工作原理。 2）熟悉商用电子秤的工作原理。 技能目标 1）掌握应变计组桥及零位调整方法。 2）熟悉电子秤的选型。,現在時間是： 05:42,任务一 认识应变计,导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。 电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元件及测量转换电桥电路等组成。,应变原理演示,金属丝受拉时，l 变长、r 变小，导致R变大 。,应变片的工作原理,1拉伸前 2拉伸后,电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电阻变大。,应变片的结构,1引出线 2覆盖层 3基底 4电阻丝,l ：应变片的工作基长， b ：应变片基宽， bl：应变片的有效使用面积。,应变片的电阻相对变化量与力的关系,应变片中的电阻丝的电阻相对变化量R/R，与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即 x =F/(AE），设K 为灵敏度，金属材料的面积为A，弹性模量 为E，则 R/R又可表示为,微应变（）,对于不同的金属材料，K 略有不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大50200倍。,在材料力学中，x=l/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。 x通常很小。例如，当x为0.000001（10-6）时，在工程中常表示为1m/m或 1微应变(1 )。 对金属材料而言，受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即应小于1000m/m（1000 ），否则有可能超过材料的极限强度而导致非线性或断裂。,应变片的分类,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式等。,a）金属丝式 b）金属箔式 c）金属箔式外形 d）半导体应变片 1电阻丝 2金属箔 3半导体 4基片 5引脚 6定位标记 7金丝,金属丝式应变片的结构,金属丝式与箔式应变片的区别,金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜，多用于大批量、一次性试验。,箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于电子秤等各种应变式传感器中。,焊接温度250,不同测量方向的金属箔式应变片图形,半导体应变片,以N型和P型硅为基底，利用扩散、外延和薄膜工艺制成的。主要优点是灵敏度比金属应变片高很多。 缺点是：灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。 在使用时，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施。,某系列应变片主要性能指标,上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,任务二、应变片的粘贴 1） 检查通断。,2）在选定贴应变片的位置划出十字线。,3 ）再用细砂纸精磨（45度交叉纹）。,4 ）用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面， 擦几遍后，不可再用手接触表面。,5 ）用透明胶带将应变片与构件在引脚处临时固定，移动胶带位置使应变片达到正确定位。,6）在应变片的反面涂上一滴快干胶水，视应变片面积而定 ，胶水量不宜过多。,7）将塑料薄膜盖在应变片上，用母指按压挤出多余胶水,按压时间一般1分钟，室温低时适当延长。,8）为了使胶水可靠固化，可用电吹风微加热处理（注意距离和均匀），用万用表测量应变片绝缘电阻值，应大于20M。,9）将应变片引线焊接在接线片上，焊点要光滑牢固。引线不能绷紧，需形成弧线与接线片相连。,10）将连接应变仪的导线焊接在接线片上（焊接时间尽量短）,把导线用绝缘胶带固定在构件上，再一次检查应变片质量。,11）在应变片周围涂上软硅胶(防潮、防损伤）。,12）硅胶固化后,应变片粘贴工作完毕。但要再次检查应变片的阻值和绝缘情况。,13）固定：,粘贴、焊接后，用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止拉动引线和应变片。,材料受拉应变的测量,将应变片粘贴在受力的斜拉桥上的斜拉绳端部的圆柱上,测量每一根斜拉绳的应变,从而计算出所受大批量汽车上桥后所增加的的拉力,检验拉力是否超过设计值。,管桩材料的侧向风力产生的应变测量,工作人员正在贴应变片,应变片粘贴在管桩上，四片应变片可组成全桥,任务三 惠斯通电桥组桥非平衡电桥,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例：金属箔式应变片的标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2。 所以必须使用非平衡电桥来测量这一微小的变化量，将R /R转换为输出电压Uo。,非平衡电桥的主要功能去除“本底”,用计算机直接测应变片电阻的变化量是很困难。这是因为测量一个在几百欧的基值上附加一个零点几欧的变化的分辨力很低。 用电桥可以把被测量的本底去掉，转换成一个在零值附近变化的毫伏级的输出电压，这样就可以通过“电桥放大电路”来放大这个微小的变化电压，使之达到几伏数量级的有效输出信号,接到A-D转换器。,非平衡电桥的结构,非平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。有4个结点a、b、c、d。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一对结点（b、d）之间的电压差作为输出电压Uo端。,b、d点对负极（a点）的电压相等时称作 “电桥平衡”；反之，b、d两点电位差不为零时称作“电桥不平衡”。,非平衡电桥的输出电压,若桥路的4个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相同，桥路的输出电压为零。 若相邻电阻的电阻值变化趋势相反，桥路就产生输出电压：,电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 或R1R3=R4R2,4个桥路电阻的比例通常不可能完全相同,因此必须设置“调零电位器” RP ,调节RP,最终可以使 R1/R2=R4/R3 （ R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。,图中的R5的作用是减小调节范围，也称限流电阻。,非平衡电桥可以分为单臂、双臂、全桥,单臂半桥: 四个桥臂中，只有一个电阻的电阻可变， R1为应变片， R2、 R3、R4为固定电阻（低温漂的锰合金电阻）桥路的输出电压为：,单臂半桥的灵敏度最低，温漂最大。,单臂电桥示意图,电桥放大电路（差动减法电路）,.,双臂半桥,R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻（低温漂的锰合金电阻） 。应变片R1 、R2 感受到的应变1、2相反，产生的电阻增量正负号相反，可以使输出电压Uo成倍地增大：,四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。,输出电压：,单臂、双臂半桥、全桥工作方式中，哪一种灵敏度最高? 哪一种灵敏度最低?,全桥的温度 自补偿原理,当环境温度升高时，四个桥臂上的应变片温度t 同时升高，假设温度引起的电阻值漂移数值一致，就可以相互抵消，所以全桥能实现温度自补偿：,双臂半桥的 温度自补偿,温度升高，R1、R2同时增大( R3、R4不变)则:,又由于热胀冷缩，温度升高时，被测物的长度增加，应变片被拉长，引起测量误差，必须另外增加一个补偿块。,单臂半桥无法实现温度自补偿。,任务四 商用电子秤的工作原理分析,一、商用电子秤的分类 （1）按功能分类 计数秤、计价秤、计重秤。 （2）按用途分类 工业秤、商业秤、特种秤。 （3）按放置位置分类 4150kg的人体秤、030kg的案秤（桌秤）、30300kg的台秤、称量在300kg以上的地磅、称量在1t以上的吊秤等。 （4）按准确度分类 I级特种天平（误差10-5）；II级高准确度天平（误差10-4）；III级中准确度秤（误差1/1 000）；IV级普通秤（误差1/100）。,一、商用电子秤的分类（续）,（5）按信号传输方式分类：模拟电流（420mA）式、RS232/RS485总线式、USB总线式、以太网路式、无线射频（RF2.4G）式、蓝牙式等。,（6）按显示器分类：LED式、有背光LCD式等。 （7）按供电方式分类：交流供电式、电池（可充电式）等。 自动落料 电子秤,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,由单片机扣除温漂和毛重,人体秤,怎样才能节电？ 怎样才能适合 盲人使用？,电子人体秤中，四个角都装了电阻应变片，四角接成全桥，由单片机测量桥路电压，并换算出被称量的体重。,吊钩秤,便携式,如何将重量信号传送到总控室中的计算机上？,二、商用电子秤的型号及含义,商用电子秤内置有高准确度称重传感器和称重显示仪表，具有计量准确、读数简便等特点。商用电子秤型号的型号有：ACS-30-C、TCS-1 000-D等。C级的分度值为50010 000，D级的分度值为110 000。,图2-7 商用电子秤型号的含义,三、商用电子秤的主要性能指标,允许最大绝对误差：等级检定时允许的最大偏差m。 最小感量：所能显示的最小刻度，通常用“d”来表示。国家规定最小刻度等于检定分度值e，即d=e。例如：某一电子秤的规格为60kg5g，则5g即为最小刻度或最小感量。 分度数n（也称刻度间隔数）：将最大称量除以最小感量，就等于分度数。 检定分度值e：将最大称量除以分度数，就等于检定分度值。 最小静载荷输出恢复：施加100%最大量程的负载30min后再卸载。读数不应超过e/2。 迟滞：又称回差或变差，是指传感器正向特性和反向特性不一致的程度。,例2-1 某电子秤的规格为ACS-100-，10g（最小感量）起跳，求：该电子秤的分度数。,解 该电子秤为案秤，每10g为一个刻度或数显面板最低位代表的数值，即e=10g，最大称量为100kg，则分度数或刻度间隔数为： n=(100kg1 000)/10g=10 000 又如，某电子秤的秤量为6000g，最小刻度（最小感量）为0.5g，则准确度=0.5g/6000g=1/12000。,图2-8 电子秤的正/逆向迟滞特性 1正向特性 2反向特性,案秤的组成,案秤主要由承重系统（秤盘、秤台）、传力转换系统（称重传感器）,和示值系统（刻度盘、电子显示仪表）三部分组成。电子秤电路由应变桥路、放大器、A-D转换电路、微处理器电路、显示电路、键盘电路、通讯接口电路、稳压电源电路等组成。,1力转换为应变的弹性敏感元件,图2-9 力转换为应变的弹性敏感元件（放大图见后页） a）实心轴 b）空心轴 c）、d）等截面圆环 e）、f）变形的圆环 g）工字梁桥式 h）等截面悬臂梁 i）等强度悬臂梁 j）双连孔剪梁,图2-9的放大图,图2-10 双连孔剪梁受力后的应变情况 1被测物 2托盘 3秤台 4固定螺栓 5双连孔剪梁 6限位器 7底座,应变式力传感器,S型力传感器,F,F,F,F,各种双连孔剪梁,各种双连孔剪梁,F,端部固定 螺孔,电缆,托盘固定 螺孔,应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形演示,案秤的原理框图,电子秤的灵敏度温度补偿电路,通常将Rt一分为二： 红、黑两端紧贴铝合金剪梁的位置各串联阻值为Rt/2的电阻丝。Rt的大小由镍丝的温度系数及铝合金剪梁的弹性模量温度系数的比例决定。,项目二 汽车衡,【项目教学目标】 知识目标 1）掌握荷重传感器的计算及选型。 2）熟悉动态自动汽车衡系统的组成。 技能目标 1）掌握汽车衡的安装。 2）熟悉汽车衡的检定。 3）熟悉汽车衡的故障分析和排除。,現在時間是：05:42,任务一 荷重传感器的计算与选型,F,图2-15 6种不同型式的荷重传感器 a）空心筒式 b）实心柱式 c）S形扭环式 d）轮辐式 e）双孔工字钢桥式 f）弯板式,圆柱形弹性元件（等截面轴）的应变,设轴的横截面积为A，轴材料的弹性模量为E，材料的泊松比为，当等截面轴承受轴向拉力或压力F时，轴向应变(有时也称为纵向应变)x为：,钢的弹性模量约为21011N/m2。当被测力较小时，可用铝合金。铝的弹性模量约为0.71011 Nm2。材料越软，弹性模量也越小，其弹性变形的灵敏度也越高。,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,F,激光焊接 全密封,荷重传感器原理演示,贴在荷重传感器表面的应变片在向下力的作用下，产生变形。轴向变短，径向变粗。,任务二 汽车衡的分类与选型,一、汽车衡的结构,汽车衡示意图,用一个桥路激励源来激励4个圆柱状荷重传感器的桥路，由4路A-D转换器将4个桥路的输出转换为4个数字量，由单片机进行加法运算。,汽车衡,测量汽车毛重，再扣除已知该型号汽车的自重，就可以判断是否超载,汽车衡称重系统,荷重传感器计算,当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。,思考：综合考虑灵敏度与功耗、发热等因数， Ui 的取值范围多少为好？,荷重传感器应用估算,解：从该荷重传感器铭牌上得到F m=100103N，KF= 2mV/V， 可计算得到Uom=12mV。根据上述公式计算得被测荷重：,例：用某荷重传感器称重。当桥路电压Ui为6V时，测得桥路的输出电压Uo为8mV，求被测荷重为多少吨？,例2-3 用图2-13所示的等截面空心圆柱式荷重传感器称重，额定荷重Fm=10103kg，灵敏度KF为2mV/V，桥路电压i为12V，求： 1）在额定荷重时的输出电压Uom。 2）若希望在额定荷重时得到5V的输出电压（接到A-D转换器），放大器的放大倍数应为多少倍？ 3）若要求能分辨1/3 000的电压变化，放大后输出电压的漂移应小于多少毫伏？ 4）测得桥路的输出电压为8mV，求被测荷重为多少吨？ 5）当承载为10kg时，传感器的输出电压Uo(10kg)。,解 1）从图2-13所示的荷重传感器铭牌上得到：KF=2mV/V，根据式（2-7），在额定荷重时的输出电压 Uom=KFUi=2mV/V12V=24mV 2）在额定荷重时要得到5V的输出电压，放大器的放大倍数 A=5000mV/24mV=208.3 3）若传感器的分度数为3 000，放大后输出电压的分辨力和输出电压的漂移要小于 Uo=5000mV/3 000=1.67mV 4）测得桥路的输出电压为8mV，被测荷重,5）当承载为10kg时，传感器的输出电压,【荷重传感器参数填表训练】,秤台,（1）U形钢结构秤台,秤台局部解剖图,秤台的支撑,图2-33 桥式荷重传感器 a）用千斤顶将秤台顶起 b）钢球上方和下方的球托放大图,图2-19 接线盒,a）五孔模拟式接线盒（含多路微调电位器） b）七孔数字式接线盒（含多路串行接口）,二、汽车衡的分类,1）按安装方式分，有地中衡和地上衡；2）按称量方式分，有静态式和动态式；3）按传感器分，有模拟式和数字式；4）按弹性元件分，有柱式、桥式、轮辐式、弯板式等；5）按秤台型式分，有全钢结构式和钢结构混凝土式；6）按安装基坑型式分，有无基坑可移动式、浅基坑式、深基坑地中衡、便携式等；7）按长度分，有整车式、轴重式等；8）按值班方式分，有无人值守式、有人值守自动汽车衡；9）按防爆等级分，有非防爆型和本安型；10）按秤体强度等级和称重频次分，有重型高频次汽车衡、中型汽车衡以及低频次汽车衡等；11）按载荷m与准确度e分，从低到高，有50200 000e等。,模拟式汽车衡,采用用模拟式称重传感器、模拟式接线盒和模拟式称重显示器。多路传感器的模拟信号先接到接线盒，在接线盒中进行多路A-D转换，再巡回传输到称重显示器。传感器与接线盒、显示器之间传输的是几十毫伏的模拟信号，容易引入干扰，智能化水平低。,2数字化汽车衡,从模拟式称重传感器输出的6路模拟信号传送到数字化接线盒，经过数字化接线盒内的放大、滤波和A-D转化电路后，转换成数字电信号。该数字信号传输到数字化称重显示器，经数字化称重显示器中的微处理器对信号进行处理，从而显示被称汽车的重量等数据。,图2-21 6路数字化汽车衡原理框图,3数字式汽车衡,采用输出信号为数字量或数字编码的数字式传感器。与称重成正比的模拟电压先在全封闭的传感器中进行A-D转换和串行信号转换，以串行信号的方式输出到接线盒，接线盒与称重显示器通过6根传输线进行通信。,四、动态自动汽车衡系统,1无人值守汽车衡系统,无人值守汽车衡系统示意图,无人值守智能称重系统工作流程,图2-24,2弯板式动态轴重衡,每当一组轮胎经过弯板式称重传感器时，传感器中的电阻应变计桥路就产生一个脉冲信号，传递给称重显示器，微处理器记录弯板的受力弯曲变形曲线，计算出弯曲最大点的应变、轴重、速度测、轴型等。将左、右轴重相加，就得到一对轮轴的称重。依据断续的冲击次数，计算出一辆汽车有多少对轮轴，再将所有轮轴的称重相加，就可以得到整车的重量。,a）弯板式动态轴重衡的内部结构 b）弯板式轴重衡的输出特性 1钢框架 2紧固压块 3紧固螺栓 4钢底板 5受力高强度钢弯板 6应变计（共8片） 7汽车轮胎受力点（弯曲变形点） 8绝缘密封胶,图2-25,（3）弯板式传感器的标定,先做静态标定，然后做动态标定。 动态标定的具体方法： 选定几种车型，装载砝码后的车重为额定载荷，以额定的时速通过左、右两个弯板传感器的称重区域，次数为10。,累加每一个车轴的重量，得到一组 “总车重”数据， 多次累加， 求其平均值，等于车重。,3便携式动态轴重衡,便携式动态轴重衡放大图,五、汽车衡的规格,图2-27 汽车衡的型号规格表示方法 例：SCS60tC3：地上衡；电阻应变数字式；最大称重60t；C级；分度数3000.,五、汽车衡的主要技术指标,1）准确度等级：共6级。 2）最大称量Max：10200t。 3）最小称量Min：550kg。 4）传感器内码：10 000100 000。 5）分度数n：10050 000。 6）检定分度值e：550kg。 7）秤台宽度W：34m。 8）秤台长度L：724m。 9）承载器强度安全系数2。 10）工作电源：AC 220V（15%+10%），50Hz，或DC 12V/24V蓄电池（-10%+20%）。 11）工作环境：湿度85%RH，温度为-10+40。,安全极限载荷、最大静态载荷、 最大动态载荷之间的关系,图2-28 与载荷有关的一些重要概念之间的关系,表2-5 最小称量（用分度值e表示）,表2-6 称量整车总重量的最大引用误差,表2-7 称量单轴或轴组重量的 汽车衡准确度等级与分度数的关系,表2-8 车辆轴载荷的准确度等级与 车辆整车总重量的准确度等级之间的关系,表2-9 汽车衡静态试验的 允许最大绝对误差,汽车衡的五个标志点,当汽车衡在额定条件（温度、湿度、偏载、迟滞、蠕变、重复性等）下使用时，规定汽车衡的以下5个特殊标志点是必须进行检定的点：零点、1/6Max、1/2Max、2/3Max、及Max。 C3级（有的厂商也称级，或3级）的分度数 n=3 000，若最大称量Max=60t，则检定分度值e=m=20kg。引用误差（满度相对误差）为：,“最小称量”称为Min,小于Min的重物称量误差将大于允许最大绝对误差。在90t的C3级汽车衡上，Min可能达到50e，达到1 000kg，所以不能用于称量小于Min值的重物。,图2-28 与载荷有关的一些重要概念之间的关系,任务三 汽车衡的安装与调试 一、汽车衡的安装,图2-29 浅基坑地上型汽车衡的基础结构 1混凝土斜坡 2传感器的混凝土基础 3钢球承压荷重传感器 4横线限位器 5U形钢秤台的传感器支架 6纵向限位器 7混凝土基础 8排水沟 9U形钢秤台 10纵向间隙 11横向间隙,2汽车衡传感器的安装,接线,3.秤台的吊装,二、汽车衡的调试,角差修正（压角）,任务四 汽车衡的检定,一、静态检定 1零点检定 将0.1e的砝码逐一放在秤台的中央，直至显示器跳变1个最低位e。0.5e与所用0.1e的砝码的累加值m0之间的差值即为零点误差E0。即 E0=0.5e-m0 （2-8） 例如，m0=70.1e=70.110kg=7kg，则 E0=0.5e-m0=0.510kg-7kg=-2kg。即： 示值少了2kg。用标准砝码检定汽车衡的静态误差时，不应大于汽车衡相应称量允许最大绝对误差的1/3。,2静态检定点,分度值为3 000的汽车衡的静态测试点至少为以下5个点：最小称量Min、1/6Max、50%Max、2/3Max、最大称量Max。例如，若60t汽车衡的分度值为3 000，则静态测试点为0、30t、60t，允许最