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電阻應變式稱重傳感器
閱讀�12688時間�2011-02-26 20:32:06

  電阻應變�稱重傳感�,是一種將力信號轉換為電信號的機電元件,通過彈性體變形促使其表面電阻應變片變形,從而改變其阻值,并由測量電路將其變化轉換為電信號(電壓或電流�,主要用于將外力變換為電信號。電阻應變式稱重傳感�被廣泛應用于電子��、自動控制和自動檢測等領�,是稱重和檢測系統的核心元器件�

原理

  電阻應變式稱重傳感器,是通過把一種被測量(質量)轉換成另外一種被測量(輸出)來測量質量的力傳感器,其工作原理是:彈性體(彈性元件,敏感梁)在外力作用下產生彈性變�,使粘貼在他表面的電阻應變片(轉換元件)也隨同產生變�,電阻應變片變形�,它的阻值將�(fā)生變化(增大或減?�?,再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號(電壓或電流�,從而完成了將外力變換為電信號的過程�

電阻應變式稱重傳感器


組件

  電阻應變式稱重傳感器作為質量——重量轉換元�,主要由三部分組�,即電阻應變�、彈性體和測量電路�

  1.電阻應變片(傳感元件�

  電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底�,即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義�

  設有一個金屬電阻絲,其長度為L,橫截面是半徑為r的圓形,其面積記作S,其電阻率記作�,這種材料的泊松系數是μ。當這根電阻絲未受外力作用時,它的電阻值為R�

  R = ρL/S(Ω) �2�1�

  當它的兩端受F力作用時,將會伸�,也就是說產生變�。設其伸長ΔL,其橫截面積則縮�,即它的截面圓半徑減少Δr。此�,還可用實驗證明,此金屬電阻絲在變形�,電阻率也會有所改變,記作Δ��

  對式�2--1)求全微�,即求出電阻絲伸長后,他的電阻值改變了多少。我們有�

  ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 �2�2�

  用式�2--1)去除式�2--2)得�

  ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L � ΔS/S �2�3�

  另外,我們知道導線的橫截面積S = πr2,則 Δs = 2πr*Δr�

  所�  ΔS/S = 2Δr/r �2�4�

  Δr/r = -μΔL/L �2�5�

  其中,負號表示伸長時,半徑方向是縮小�。μ是表示材料橫向效應泊松系數。把式(2�4)(2�5)代入(2--3�,有

  ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

  =�1 + 2μ(Δ�/ρ�/(ΔL/L))*ΔL/L

  = K *ΔL/L �2--6�

  其中

  K = 1 + 2μ +(Δ�/ρ�/(ΔL/L� (2--7)

  式(2--6))說明了電阻應變片的電阻變化率(電阻相對變化)和電阻絲伸長率(長度相對變化)之間的關系�

  靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常�,它和應變片的形狀、尺寸大小無�,不同的材料的K值一般在1.7�3.6之間;其次K值是一個無因次量,即它沒有量綱�

  在材料力學中ΔL/L稱作為應�,記作ε,用它來表示彈性往往顯得太大,很不方�

  常常把它的百萬分之一作為單位,記作μ�。這樣,式(2--6)常寫作:

  ΔR/R = Kε (2�8)

電阻應變片組成的電橋

電阻應變片組成的電橋

  2.彈性體(敏感元件)

  彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩�,首先是它承受稱重傳感器所受的外力,對外力產生反作用力,達到相對靜平衡;其�,它要產生一個高品質的應變場(區(qū)),使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務�

  以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例,來介紹一下其中的應力分布�

  設有一帶有肓孔的長方體懸臂��

  肓孔底部中心是承受純剪應�,但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應�。主應力方向一為拉神,一為壓�,若把應變片貼在這里,則應變片上半部將受拉伸而阻值增�,而應變片的下半部將受壓縮,阻值減�。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式,而不再推��

  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--揚氏模量:μ—泊松系數;B、b、H、h—為梁的幾何尺寸�

  需要說明的�,上面分析的應力狀�(tài)均是“局部”情�,而應變片實際感受的是“平均”狀�(tài)�

  3.惠斯登電橋(測量電路�

  測量電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉�?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)�,如可以抑制溫度變化的影�,可以抑制側向力干擾,可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題�,所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應��

  因為全橋式等臂電橋的靈敏�,各臂參數一�,各種干擾的影響容易相互抵銷,所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋�

惠斯登電橋

惠斯登電橋原理圖


作用

  電阻應變式稱重傳感器用于靜態(tài)、動�(tài)條件下測力或稱重,在我國工業(yè)生產過程檢測與控�、自動計量等領域已大量應用。電阻應變式稱重傳感器是電子衡器的核心部�,其質量好壞是影響電子衡器計量準確度的主要因素。在實際使用�,常受到原材料及制造工�、安裝方�、使用條件及外部�(huán)境的影響�

電阻應變式稱重傳感器


檢測

  1.零點輸出檢查

  零點輸出,即傳感器在沒有載荷的情形下的輸出�,所有的載荷(包括秤體、傳力件等靜載荷)都必須去掉的情況�,測試傳感器的輸�。傳感器零點應該是在傳感器設計安裝使用要求的狀�(tài)下測試所得�,防止傳感器本身自重帶來的錯誤影響。傳感器應該連接在穩(wěn)壓電源上,采用產品說明書或樣本中推薦使用的激勵電壓。測試紀錄傳感器的毫伏電壓輸出�,除以傳感器的激勵電壓,就得出傳感器的零點輸出�(mV/V)。比較這個輸出值與傳感器的合格證上的數�(如果可能)或者與傳感器公司的樣本中相應數據,即可得出傳感器的零點輸出是否合格的結��

  分析:傳感器零位性的變化一般會因為傳感器的超載或受瞬間沖擊導致。而如果傳感器的零位周期性的變化可能是由于應變計受潮或由于其他原因導致的內部變化所�,當然這種情況也可以檢測傳感器的絕緣阻抗和測試橋路電阻檢查出來�

  2.測試絕緣阻抗

  一般我們要求測試傳感器的引出線和傳感器本體(彈性體,外殼等)之間的阻�。注意,將傳感器和接線盒以及儀表斷�。調試好絕緣測試�(�),然后將表筆一端接傳感器的電纜�(輸出,輸�,屏蔽線�),一端接傳感器的本體(彈性體,外殼等)。一般要�,該阻抗�5000MΩ�

  注意:不得使用絕緣箱的表筆測試傳感器的輸入,輸出阻抗,因為絕緣箱的輸出電壓高于傳感器內部電器元件的耐壓��

  分析:我們一般要求傳感器引出線與彈性體間的絕緣阻抗�5000MΩ。絕緣值偏低可能是由于傳感器橋路受潮或局部橋路受�。特別低的絕緣阻�(�1KΩ)可能是傳感器受潮嚴重而導致橋路與彈性體短接或內部連線絕緣層擊穿受�。傳感器絕緣低的直接表現就是傳感器輸出不�(wěn)定,而且會隨�(huán)境條件的變化而變�,甚至受打印機的工作干擾�

  3.測試橋路阻抗

  測試橋路阻抗就是檢測傳感器橋路的完整性,檢測�,應將傳感器同接線盒和其它測試設備斷�。輸入和輸出阻抗測試是用數字萬用表表筆依次在傳感器的輸入端頭和輸出端頭處量取阻抗值,對比測試值與產品的合格證的數�;橋路對稱度的確認是指用數字萬用表量取一個輸入端同一個輸出端間的阻抗,依次量取可以得�4組阻抗�,在完全對稱補償的傳感器�,該四組阻抗值的極差值不得大�1Ω(精度低的萬用表該值不得大�2Ω)�

  分析:橋路阻抗的變化常常是由于橋路受損或斷開,電子元器件失效或內部短�。這可能是由于大電流或電壓(雷擊或焊接電�)擊穿燒毀電橋,或者由于沖擊或震動疲勞導致,或者超高溫度等原因導致�

  4.測試傳感器輸�

  將傳感器單獨接在�(wěn)壓電源上,使用激勵電�10�15VDC。將傳感器的輸出端接在毫伏表�(或將萬用表打在直流毫伏檔),依據傳感器的安裝使用狀�(tài),在傳感器的加載端上加載,觀測傳感器的輸出變化�

  分析:正常情形下,傳感器應該有一個正向的輸出。如果傳感器的輸出異�,可能是由于傳感器接線錯誤或者傳感器應變計與彈性體基體脫落、內部斷路等導致�

電阻應變式稱重傳感器檢測

電阻應變式稱重傳感器檢測步驟

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