压电式传感器在高精度电子秤中的应用.doc

电阻应变式传感器在高精度电子秤中的应用李三元摘要：随着微电子学及计算机等现代电子技术的快速发展，其成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响，人们对称重仪器的要求例如最大称重范围、精度也越来越高。本文旨在通过使用压电式传感器从而使电子秤的量程扩大，同时又能到达高精度的目标。关键词：重量测量；压电式传感器；高精度中图分类号：TP2 文献标识码：BThe application in the high-accuracy electronic balance of the resistance strain sensorLi SanyuanAbstract: With the high speed development of the microelectronics and the computer and other modern electronic technology,their achievements play huge and revolutionary impact on the traditional electronic measuring instruments.Peoples demands for measuring instruments ,for example:the maximum weighing range,accuracy are becoming higher and higher.This paper in order to expand the electronic balances range by using piezoelectric sensor,and achieve the goal of high accuracy at the same time.Key words: weight measurement; piezoelectric sensor;high-accuracy0 引言电子称重系统是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子称重系统有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、精度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。1 电阻应变式传感器原理介绍电阻应变式传感器是以电阻应变片为转换元件的传感器。电阻应变片简称应变片，它是一种将应变转换为电阻变化的器件。电阻应变片粘贴在被测试件表面上，由于被测试件的变形使其表面产生应变，从而引起其阻值的变化，通过测量电阻的变化即反映了应变（或应力）的大小。电阻应变片不仅能够测量应变，而且对其他的物理量，只要能变为应变的相应变化，都可进行测量，如可以测量力、压力、位移、力矩、重量、温度和加速度等物理量。电阻应变式传感器具有结构简单、体积小、测量范围广、频率响应特性好、适合动态和静态测量、使用寿命长、性能稳定可靠等特点，是目前应用最广泛的传感器之一。电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，即导体在外界作用下产生机械形变（拉伸或压缩）时，其电阻值会发生相应变化。传感器式电子秤是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，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。2 技术指标（1） 量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。（2） 分度值：电子秤的测量范围被分为若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。（3） 分度数：衡器的测量范围被分为若干等份，总份数即为分度数。用n表示。（4） 准确度等级国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成、四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围：级：特种精确度 分度数范围n100000 基准衡器级：高精确度 分度数范围 10000n100000 精密衡器级：中精确度 分度数范围 1000n10000 商业衡器级：普通准确度 分度数范围 100n1000 粗衡器3 系统要求（1）灵敏度高，可实现对计量物体的高精度测量；（2）能够承受工作频繁、冲击载荷大的工作环境，要求性能稳定、可靠性好；（4）动态响应快，适合静态及动态测量；（5）支持报警蜂鸣器驱动，当测量物体重量超过电子秤最大称重范围时，蜂鸣器报警以示警告，从而确保传感器的安全及寿命。4 应用可行性分析电子秤是利用物体的重力来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数或特性。当物体放于秤盘上时，压力施加于称重传感器，称重传感器就会发生形变，从而使阻抗发生变化，同时激励电压也发生变化，输出一个变化的模拟信号。电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件，利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计，它作为传感元件将弹性体的应变同步地转换为电阻值的变化。电阻应变片所感受的机械应变量一般为10-610-2，随之而产生的电阻变化率也大约在10-610-2数量级之间。这样小的电阻变化用一般测量电阻的仪器很难测出，必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转变成电压或电流的变化，才能用二次仪表显示出来。在电阻应变式称重传感器中通过桥式电路将电阻的变化转换为电压变化。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。设有一根电阻丝，它在未受力时的原始电阻值为：式中：电阻丝的电阻率电阻丝的长度电阻丝的面积电阻丝在外力的作用下，将引起电阻变化，且有令电阻丝的轴向效应为=/，由材料学可知为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得通常把单位应变所引起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏系数，其表达式为=从上式可以明显看出，电阻丝灵敏度系数由两部分组成：表示受力后由材料的几何尺寸变化引起的；表示由材料电阻变化引起的。对于金属材料，项的阻值要比小得多，可以忽略，故=。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即=1.73.6。上式可写成电阻应变式传感器将四个电阻应变片贴在弹性敏感元件，然后以适当的方式组成惠斯通桥式电路，当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生变形，阻值发生变化，电桥失去平衡，传感器输出与被测载荷重量成比例的电压信号。R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，组成了桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，并可消除温度误差等共模干扰。全桥测量电路中，将受力性质相同的两片应变片接入电桥对边。其输出灵敏度比半桥提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到了改善。上图中，设4个应变片的电阻分别为R1、R2、R3、R4，电桥电源电压为Us，则惠斯通电桥输出电压Uxi为：.(1)当称传感器空载时，4个应变片的零点阻值（即空载时的电阻）相等，即.(2)当传感器承受载荷时，横向粘贴的应变片R1、R4被拉伸，阻值增大；纵向粘贴的应变片R2、R3被压缩，阻值减少，即.(3)其中为应变片的电阻变化值。将上式代入式（1）有 = =.(4)由于，因此忽略式（4）中分母含的项并考虑到式（3），则有.(5)式（5）表明，称重传感器的输出与应变片电阻变化量的代数和成正比，即被测物重量与输出电压的变化量有良好的线性关系。通过输出电压变化的测量，即可推算出被测物的重量。称重传感器的灵敏度与最大量程是称重传感器两个最重要的参数，必须根据电子秤的设计要求综合考虑，以选择合适的参数。5 电阻应变式称重传感器常见故障及解决 （1） 电子秤称量不准确，显示的称量数字与加放的砝码数量不一致（2） 电子秤重复性不好，加放同一砝码，有时称量准确，有时称量不准确。（3） 电子秤空载或加载时，显示的数字不稳定，漂移或者跳变。这几种现象都有可能是称重传感器的故障。如果能够准确判断出故障是在传感器，这样就能大大提高工作效率，加快电子秤修理的速度。将需要判断的传感器从系统中单独摘除，分别测量输入阻抗、输出阻抗。输入阻抗正常值为380，输出阻抗正常值为350，如果测量数据不在此范围内，该传感器已经损坏。如输入阻抗、输出阻抗有断路，可先检查传感器信号电缆有无断开的地方，当信号电缆完好时，则为传感器应变片被烧毁，通常是因为有大电流进入传感器造成的。当测量输入阻抗、输出阻抗阻值不稳定时，可能为信号线绝缘层破裂，绝缘性能下降，或传感器受潮，使桥路同弹性体绝缘不好。传感器的零点输出信号值，一般在(-3mv2mv)之间。如果远远超出此标准范围，可能是传感器使用中过载而造成弹性体塑性变形，使传感器无法使用。如