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称重传感器的工作原理

发布时间:2012-11-28

称重传感器简介


       称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感首先要考虑传感器所处的实际工作环境,这点对正确选用称重传感器至关重要,它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命,乃至整个衡器的可靠性和安全性。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上,新旧国标有质的差异。

       传统概念上,负荷传感器是称重传感器、测力传感器的统称,用单项参数评价它的计量特性。旧国标将应用对象和使用环境条件完全不同的“称重”和“测力”两种传感器合二为一来考虑,对试验和评价方法未给予区分。旧国标共有21项指标,均在常温下进行试验;并用非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差6项指标中的最大误差,来确定称重传感器准确度等级,分别用0.02、0.03、0.05表示。
 
  衡器上使用的一种力传感器。它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响,称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中,通常用综合误差带来综合控制传感器准确度,并将综合误差带与衡器误差带(图1)联系起来,以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定,传感器的误差带δ占衡器误差带Δ的70%,称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ。这就允许制造厂对构成计量总误差的各个分量进行调整,从而获得期望的准确度。

称重传感器

称重传感器

 

 

称重传感器分类

  称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类,以电阻应变式使用最广。下面介绍电阻应变式称重传感器的工作原理。
 


电阻应变式称重传感器原理


电阻应变式称重传感器

  电阻应变式称重传感器是基于: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、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ρ,这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为R:
  R = ρL/S(Ω) (2—1) 

  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ΔL,其横截面积则缩小,即它的截面圆半径减少Δr。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Δρ。

  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:ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 (2—2)

  用式(2--1)去除式(2--2)得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S (2—3)

  另外,我们知道导线的横截面积S = πr2,则 Δs = 2πr*Δr,所以ΔS/S = 2Δr/r (2—4)

  从材料力学我们知道Δr/r = -μΔL/L (2—5)

  其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式(2—4)(2—5)代入(2--3),有

  ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L
  =(1 + 2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L
  = K *ΔL/L (2--6)

  其中
  K = 1 + 2μ +(Δρ/ρ)/(ΔL/L) (2--7)

  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ΔL/L称作为应变,记作ε,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με。这样,式(2--6)常写作:ΔR/R = Kε (2—8) 

二、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枣电信号的转换任务。

  以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。

  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--扬氏模量:μ—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、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。在测量过程中,重量加载到称重传感器的弹性体上会引起塑性变形。

  应变 (正向和负向) 通过安装在弹性体上的应变片转换为电子信号。最简单的弯曲梁称重传感器只有一个应变片。通常,弹性体和应变片通过多种方式来结合,例如,外壳,密封部件等来保护应变片。

 

称重传感器的应用 
 
       称重传感器形式的选择主要取决于称重的类型和安装空间,保证安装合适,称重安全可靠;另一方面要考虑厂家的建议。对于传感器制造厂家来讲,它一般规定了传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构形式、弹性体的材质等。譬如铝合金悬臂梁传感器适合于电子计价秤、平台秤、案秤等;钢式悬臂梁传感器适用于电子皮带秤、分选秤等;钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡等;柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。称重传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域。如电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重,在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。电阻应变式称重传感器是电子衡器的核心部件,其质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。在实际使用中,常受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响。

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