【摘 要】 稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置，其工作原理是把加到秤盤(pán)上的物體重量轉(zhuǎn)換成與該重量成比例的電信號(hào)，然后將輸出的電信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換后由相關(guān)電路顯示出稱重信息。其中電阻應(yīng)變式稱重傳感器由于其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，穩(wěn)定性強(qiáng)，且能夠在相對(duì)比較差的環(huán)境下使用，因此在衡器中得到了廣泛地運(yùn)用。本文就電阻應(yīng)變式稱重傳感器的應(yīng)用故障進(jìn)行了一些探討。
【關(guān)鍵詞】 稱重傳感器；放大；電阻應(yīng)變；衡器
Abstract: Load cell is a device to convert a quality signal into a measurable electrical signal, its working principle is to convert a quality signal into an electrical signal proportional to the weight , then the output signal is showed after amplification and A/D conversion circuit . The resistance strain type load cell has been widely used in the scale due to its simple structure, high accuracy, wide application range, strong stability, and can be in a relatively poor environment. We will discuss the resistance strain load cell application in this paper.
Key words: load cell；amplify；resistance strain；scale
1 引言
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，這就需要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或*狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過(guò)程控制中的一種必需的裝置。電阻應(yīng)變式稱重傳感器由于其制作工藝較為簡(jiǎn)單，加工成本較為低廉，故被企業(yè)大批量生產(chǎn)，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)與控制、自動(dòng)計(jì)量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。
2 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的組件
電阻應(yīng)變式稱重傳感器作為質(zhì)量—重量轉(zhuǎn)換元件，主要由三部分組成，即電阻應(yīng)變片、彈性體和測(cè)量電路。
2.1 電阻應(yīng)變片（傳感元件）
電阻應(yīng)變片也稱電阻應(yīng)變計(jì)，簡(jiǎn)稱應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)，是由敏感柵等構(gòu)成用于測(cè)量應(yīng)變的元件。它能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。電阻應(yīng)變片是由Φ=0.02-0.05mm的康銅絲或鎳鉻絲繞成柵狀（或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀）夾在兩層絕緣薄片中（基底）制成。用鍍銀銅線與應(yīng)變片絲柵連接，作為電阻片引線。
電阻應(yīng)變片的測(cè)量原理：金屬絲的電阻值除了與材料的性質(zhì)有關(guān)之外，還與金屬絲的長(zhǎng)度，橫截面積有關(guān)。將金屬絲粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，金屬絲的長(zhǎng)度和橫截面積也隨著構(gòu)件一起變化，進(jìn)而發(fā)生電阻變化。
ΔR/R=K*ε （1）
其中，K為材料的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變的電阻變化率，標(biāo)志著該類絲材電阻應(yīng)變片效應(yīng)顯著與否。ε為測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變，為無(wú)量綱的量，但習(xí)慣上仍給以單位微應(yīng)變，常
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用符號(hào)με表示。由此可知，金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時(shí)，應(yīng)變ε與電阻變化率dR/R成線性關(guān)系，這就是利用金屬應(yīng)變片來(lái)測(cè)量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。
我們來(lái)介紹一下靈敏系數(shù)K的意義。設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R：
R=ρL/S（Ω） （2）
當(dāng)它的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng)ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作Δρ。
對(duì)式（2--1）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。我們有：
ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2 （3）
用式（3）去除式（2）得到
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S （4）
另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S=πr2，則Δs=2πr*Δr，
所以 ΔS/S=2Δr/r （5）
Δr/r=-μΔL/L （6）
其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（5）（6）代入（3），有
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L
=［1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L）］*ΔL/L
=K*ΔL/L （7）
其中
K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）
式（7）說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。
靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間；其次K值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，很不方便常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作με。這樣，式（1）常寫(xiě)作：
ΔR/R=Kμε
2.2 彈性體（敏感元件）
彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。用做稱重傳感器彈性體的金屬材料，由于其內(nèi)部復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系，當(dāng)受到外力作用后在微小晶粒之間會(huì)產(chǎn)生微應(yīng)變，在外力消失以后，微應(yīng)變隨之消失，但是是否能夠*恢復(fù)到不受力的原始狀態(tài)，則因彈性體的金屬材料而異。如果加載力的曲線和卸載力的曲線不重合，差值越大，則遲滯性越大。其差值主要來(lái)源于材料本身成分的穩(wěn)定性、均勻性、熱處理后的徑向組織等等。知道遲滯性產(chǎn)生的原因，我們可以通過(guò)選擇合適的金屬材料，采用*的熱處理方式提高彈性極限，來(lái)減小產(chǎn)生遲滯性從而取得很好的綜合機(jī)械性能。
傳感器彈性體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵守以下原則：
（1）彈性元件應(yīng)變區(qū)受力單一，應(yīng)力分布均勻；
（2）支承區(qū)盡量形成剛性固定，安裝力遠(yuǎn)離應(yīng)變區(qū)，必要時(shí)采取柔性隔離技術(shù)；
（3）加載、承載的壓頭、壓墊設(shè)計(jì)，應(yīng)使加載線與彈性元件中心線重合，保證加載點(diǎn)