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電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理 電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理 電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。 　　 由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述?！　　? 　　一、電阻應(yīng)變片 　　 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。 　　 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—1）　　 　　當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說產(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 （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，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = πr2，則 Δs = 2πr*Δr，所以 　　ΔS/S = 2Δr/r （2—4） 　　 從材料力學(xué)我們知道 　　Δr/r = -μΔL/L （2—5） 　　 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（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））說明了電阻應(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?！　? 　　需要說明的是：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)無因次量，即它沒有量綱。 　　 在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便 　　常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（２--６）常寫作： 　　ΔR/R = Kε (2—8)　　 　　二、彈性體　　 　　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)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 　　 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(yīng)力分布。 　　 設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁?！　? 　　肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 　　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(yáng)氏模量：μ—泊松系數(shù)；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。 　　 需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。 　　三、檢測(cè)電路　 　　檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。 　　 因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，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。 電阻應(yīng)變計(jì) resistance strain gage 　　能將工程構(gòu)件上的應(yīng)變，即尺寸變化轉(zhuǎn)換成為電阻變化的變換器（又稱電阻應(yīng)變片），簡(jiǎn)稱為應(yīng)變計(jì)。一般由敏感柵、引線、粘結(jié)劑、基底和蓋層組成（圖1）。 將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在構(gòu)件表面，構(gòu)件在受載荷后表面產(chǎn)生的微小變形（伸長(zhǎng)或縮短），會(huì)使應(yīng)變計(jì)的敏感柵隨之變形,應(yīng)變計(jì)的電阻就發(fā)生變化,其變化率和安裝應(yīng)變計(jì)處構(gòu)件的應(yīng)變 ε成比例。測(cè)出此電阻的變化，即可按公式算出構(gòu)件表面的應(yīng)變，以及相應(yīng)的應(yīng)力。 　　將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在構(gòu)件表面，在應(yīng)變計(jì)軸線方向的單向應(yīng)力作用下，敏感柵的電阻變化率和引起此電阻變化的構(gòu)件表面在應(yīng)變計(jì)軸線方向的應(yīng)變?chǔ)胖?稱為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)K，即 , 它表示電阻應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)在數(shù)量上的關(guān)系，是電阻應(yīng)變計(jì)的主要工作特性之一。 　　敏感柵的柵長(zhǎng)一般為 0.2～100毫米， 電阻為60～1000歐（最常用的為120歐和350歐），測(cè)量范圍為幾微應(yīng)變至數(shù)萬微應(yīng)變（με，1微應(yīng)變=10-6毫米／毫米）。 　　按敏感柵的材料，電阻應(yīng)變計(jì)分為金屬電阻應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩類。 　　金屬電阻應(yīng)變計(jì) 　金屬電阻應(yīng)變計(jì)的種類、所使用的材料和安裝方法分述如下： 　絲式應(yīng)變計(jì) 　這種應(yīng)變計(jì)的敏感柵最常用的有絲繞式和短接線式兩種(圖2)。①絲繞式的敏感柵是用直徑 0.015～0.05毫米的金屬絲連續(xù)繞制而成，端部呈半圓形。如果安裝應(yīng)變計(jì)的構(gòu)件表面存在兩個(gè)方向的應(yīng)變，此圓弧端除了感受縱向應(yīng)變外，還能感受橫向應(yīng)變，后者稱為橫向效應(yīng)。若對(duì)測(cè)量精度的要求較高，應(yīng)考慮橫向效應(yīng)的影響并進(jìn)行修正。②短接線式的敏感柵采用較粗的橫絲，將平行排列的一組直徑為 0.015～0.05毫米的金屬縱絲交錯(cuò)連接而成，端部是平直的。它的橫向效應(yīng)很小，但耐疲勞性能不如絲繞式的。 箔式應(yīng)變計(jì) 　這種應(yīng)變計(jì)的敏感柵用厚度 0.002～0.005毫米的金屬箔刻蝕成形。 用此法易于制成各種形狀的應(yīng)變計(jì)（圖3）。箔柵有如下優(yōu)點(diǎn):①橫向部分可以做成比較寬的柵條，使橫向效應(yīng)較??；②箔柵很薄，能較好地反映構(gòu)件表面的變形，因而測(cè)量精度較高；③便于大量生產(chǎn)；④能制成柵長(zhǎng)很短的應(yīng)變計(jì)。因此，箔式應(yīng)變計(jì)得到廣泛應(yīng)用。 　　臨時(shí)基底應(yīng)變計(jì) 　還有一種臨時(shí)基底型的金屬電阻應(yīng)變計(jì)（圖4）。制造時(shí)將用紫銅等材料制成的敏感柵粘在作為臨時(shí)基底的框架上，使用時(shí)用粘結(jié)劑將敏感柵固定在構(gòu)件上，然后將臨時(shí)基底去掉。這種應(yīng)變計(jì)多用于測(cè)量高溫條件下的應(yīng)變。 　應(yīng)用材料和安裝方法 　制造敏感柵的常用材料有銅鎳合金（康銅）、鎳鉻系合金、鐵鉻鋁合金、鎳鉻鐵合金、鉑和鉑合金等。前三種最常用。這些合金的靈敏系數(shù)為2～6。 　　所用的粘結(jié)劑分為有機(jī)粘結(jié)劑和無機(jī)粘結(jié)劑兩類。在一般情況下，前者用在溫度低于400℃時(shí),后者則用于高溫條件下。有機(jī)粘結(jié)劑包括硝化纖維、氰基丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰亞胺等。除前兩種之外，使用時(shí)一般都要加溫加壓使其固化。常用的無機(jī)粘結(jié)劑有磷酸鹽和噴涂用的金屬氧化物。前者在使用時(shí)須加溫固化。用作基底的材料有紙、膠膜、玻璃纖維布、金屬薄片（或金屬網(wǎng)）等。 　　把應(yīng)變計(jì)粘貼在構(gòu)件表面上有不同的安裝方法：用紙、膠膜、玻璃纖維布作基底的應(yīng)變計(jì)，用粘結(jié)劑粘貼；用金屬薄片或金屬網(wǎng)作基底的應(yīng)變計(jì)，用點(diǎn)焊或滾焊固定在金屬構(gòu)件上;對(duì)于臨時(shí)基底型應(yīng)變計(jì),用粘結(jié)劑或用氧炔焰或等離子焰將金屬氧化物熔化并噴涂的方法，將敏感柵固定于金屬基底或構(gòu)件表面上。 　　只用一個(gè)敏感柵的應(yīng)變計(jì)，適用于測(cè)量單向應(yīng)變。測(cè)量平面應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)變時(shí)，可采用應(yīng)變花。 　　半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì) 　將半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)安裝在被測(cè)構(gòu)件上，在構(gòu)件承受載荷而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其電阻率將發(fā)生變化。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)就是以這種壓阻效應(yīng)作為理論基礎(chǔ)的，其敏感柵由鍺或硅等半導(dǎo)體材料制成。這種應(yīng)變計(jì)可分為體型(圖5)和擴(kuò)散型兩種。前者的敏感柵由單晶硅或鍺等半導(dǎo)體經(jīng)切片和腐蝕等方法制成，后者的敏感柵則是將雜質(zhì)擴(kuò)散在半導(dǎo)體材料中制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)大，機(jī)械滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高；缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)大，靈敏系數(shù)隨溫度而顯著變化，應(yīng)變和電阻之間的線性關(guān)系范圍小。正確選擇半導(dǎo)體材料和改進(jìn)生產(chǎn)工藝，這些缺點(diǎn)可望得到克服。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)多用于測(cè)量小的應(yīng)變(10-1微應(yīng)變到數(shù)百微應(yīng)變),已廣泛用于應(yīng)變測(cè)量和制造各種類型的傳感器（見電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器）。 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)中用薄膜作敏感柵的稱為薄膜應(yīng)變計(jì)。它是將金屬、合金或半導(dǎo)體材料，用真空鍍膜、沉積或?yàn)R射方法，在絕緣基底上制成一定形狀的薄膜，其厚度從幾十納米至幾萬納米不等。此外，還有靈敏系數(shù)很大的p-n結(jié)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)和壓電場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)變計(jì)。 　　電阻應(yīng)變計(jì)的品種日益增加，應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，除了常用的品種和規(guī)格外，還有各種不同用途的應(yīng)變計(jì)，如溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)、大應(yīng)變應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力計(jì)、測(cè)量殘余應(yīng)力的應(yīng)變花等。利用箔式應(yīng)變計(jì)的制造技術(shù)，還能生產(chǎn)出可以測(cè)量溫度、壓力、疲勞壽命、裂紋擴(kuò)展情況的各種片式檢測(cè)元件（包括測(cè)溫片、測(cè)壓片、疲勞壽命計(jì)、裂紋擴(kuò)展計(jì)等）。 電阻應(yīng)變計(jì) straingauge 　　基于電阻-應(yīng)變效應(yīng)的敏感元件。電阻-應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻在導(dǎo)體受力產(chǎn)生變形（伸長(zhǎng)或縮短）時(shí)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力時(shí)，其長(zhǎng)度增加而橫截面變小，引起電阻增加。反之，當(dāng)它受到軸向壓力時(shí)則導(dǎo)致電阻減小。電阻應(yīng)變計(jì)與彈性敏感元件、補(bǔ)償電阻一起可構(gòu)成多種用途的電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變計(jì)按工藝可分為粘貼式、非粘貼式（又稱張絲式或繞絲式）、焊接式、噴涂式等。其中粘貼式應(yīng)變計(jì)（又稱應(yīng)變片）是應(yīng)用最廣，也是最早出現(xiàn)的應(yīng)變計(jì)。它的工作原理是開爾文勛爵于1856年發(fā)現(xiàn)的。 　　粘貼式應(yīng)變計(jì) 　它主要由 4部分組成。①由電阻絲制成的敏感柵：是應(yīng)變計(jì)的敏感部分；②襯底和保護(hù)層：敏感柵粘貼在襯底上，襯底是將傳感器彈性元件表面的應(yīng)變傳遞到電阻絲柵上的中間介質(zhì)，起絕緣作用；保護(hù)層起保護(hù)電阻絲的作用；③粘合劑：它將電阻絲與襯底粘貼在一起；④引出線：它起連接測(cè)量導(dǎo)線的作用。按襯底材料和安裝方法的不同，可把粘貼式應(yīng)變計(jì)分為紙襯式、膠襯式、金屬襯底式和臨時(shí)襯底式等。敏感柵又有多種結(jié)構(gòu)形式，可分為測(cè)量單方向應(yīng)變的單軸式和測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向以上應(yīng)變的多軸式（又稱應(yīng)變花）兩類。 箔式應(yīng)變計(jì) 　它的工作原理與粘貼式應(yīng)變計(jì)相同，但敏感柵用金屬箔（康銅、鎳鉻錳硅合金等）通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔式應(yīng)變計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：柵的尺寸準(zhǔn)確、一致性好、適于大批量生產(chǎn)，易于小型化、易散熱、疲勞壽命高等。 　　金屬薄膜應(yīng)變計(jì) 　這種應(yīng)變計(jì)是通過規(guī)定的掩板在表面有絕緣層的金屬材料或玻璃等無機(jī)材料上濺射或沉積一層電阻材料薄膜制成的，也可采用光刻方法制造。還可直接將電阻材料沉積在傳感器的彈性敏感元件上，達(dá)到更佳的效果。 　　張絲式應(yīng)變計(jì) 　它是利用一定結(jié)構(gòu)使金屬電阻絲張緊并能直接受力而產(chǎn)生電阻-應(yīng)變效應(yīng)的一種應(yīng)變計(jì),又稱非粘貼式應(yīng)變計(jì)。一種測(cè)量微小壓力的張絲式應(yīng)變計(jì)是將金屬電阻線繞在固定于彈簧片上的數(shù)個(gè)柱子上制成的（圖2）。當(dāng)壓力通過連桿加到彈簧片上時(shí)，彈簧片的變形使柱子移動(dòng)，從而改變電阻線圈的張力而使其電阻發(fā)生變化。線圈連接成橋式電路，于是電橋由于橋臂電阻的變化而失去平衡，產(chǎn)生正比于壓力的輸出電壓。利用張絲式應(yīng)變計(jì)的原理還可制成扭矩傳感器和加速度計(jì)。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。 由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述。 　 一、電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介芤幌濾 囊庖濉?span> 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—1） 當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說產(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 （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，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = πr2，則 Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r （2—4） 從材料力學(xué)我們知道 Δr/r = -μΔL/L （2—5） 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（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））說明了電阻應(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。 需要說明的是：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)無因次量，即它沒有量綱。 在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便 常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（２--６）常寫作： ΔR/R = Kε (2—8)　 二、彈性體 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)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 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(yīng)力分布。 設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 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(yáng)氏模量：μ—泊松系數(shù)；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。 需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。 三、檢測(cè)電路 檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。 因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，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。 稱重傳感器常用技術(shù)參數(shù) 一、 用分項(xiàng)指標(biāo)表示法 在介紹稱重傳感器技術(shù)參數(shù)時(shí)，傳統(tǒng)的方法是采用分項(xiàng)指標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)是物理意義明確，沿用多年，熟悉的人較多。我們現(xiàn)在列出其主要項(xiàng)目如下： *額定容量 生產(chǎn)廠家給出的稱量范圍的上限值。 *額定輸出（靈敏度） 加額定載荷時(shí)和無載荷時(shí)，傳感器輸出信號(hào)的差值。由于稱重傳感器的輸出信號(hào)與所加的激勵(lì)電壓有關(guān)，所以額定輸出的單位以mV/V來表示。并稱之為靈敏度。 *靈敏度允差 傳感器的實(shí)際穩(wěn)定輸出與對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱額定輸出之差對(duì)該標(biāo)稱額定輸出的百分比。例如，某稱重傳感器的實(shí)際額定輸出為2.002mV/V，與之相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)額定輸出則為2mV/V，則其靈敏度允差為：（（2．002 – 2。000）/2.000）*100% = 0.1% *非線性 由空載荷的輸出值和額定載荷時(shí)輸出值所決定的直線和增加負(fù)荷之實(shí)測(cè)曲線之間最大偏差對(duì)于額定輸出值的百分比。 *滯后允差 從無載荷逐漸加載到額定載荷然后再逐漸卸載。在同一載荷點(diǎn)上加載和卸載輸出量的最大差值對(duì)額定輸出值的百分比。 重復(fù)性誤差 在相同的環(huán)境條件下，對(duì)傳感器反復(fù)加荷到額定載荷并卸載。加荷過程中同一負(fù)荷點(diǎn)上輸出值的最大差值對(duì)額定輸出的百分比。 *蠕變 在負(fù)荷不變（一般取為額定載荷），其它測(cè)試條件也保持不變的情形下，稱重傳感器輸出隨時(shí)間的變化量對(duì)額定輸出的百分比。 *零點(diǎn)輸出 在推薦電壓激勵(lì)下，未加載荷時(shí)傳感器的輸出值對(duì)額定輸出的百分比。 *絕緣阻抗 傳感器的電路和彈性體之間的直流阻抗值。 *輸入阻抗 信號(hào)輸出端開路，傳感器未加負(fù)荷時(shí)，從電源激勵(lì)輸入端測(cè)得的阻抗值。 *輸出阻抗 電源激勵(lì)輸入端短路，傳感器未加載荷時(shí)，從信號(hào)輸出端測(cè)得的阻抗。 *溫度補(bǔ)償范圍 在此溫度范圍內(nèi)，傳感器的額定輸出和零平衡均經(jīng)過嚴(yán)密補(bǔ)償，從而不會(huì)超出規(guī)定的范圍。 零點(diǎn)溫度影響 環(huán)境溫度的變化引起的零平衡變化。一般以溫度每變化10K時(shí)，引起的零平衡變化量對(duì)額定輸出的百分比來表示。 *額定輸出溫度影響 環(huán)境溫度的變化引起的額定輸出變化。一般以溫度每變化10K引起額定定輸出的變化量額定輸出的百分比來表示。 *使用溫度范圍 傳感器在此溫度范圍內(nèi)使用其任何性能參數(shù)均不會(huì)產(chǎn)生永久性有害變化. 二、在《OIML60號(hào)國際建議》中采用的術(shù)語。 以《OIML60號(hào)國際建議》９２年版為基礎(chǔ)，參考《JJG669--90稱重傳感器檢定規(guī)程》新的技術(shù)參數(shù)大致有： *稱重傳感器輸出 被測(cè)量（質(zhì)量）通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換而得到的可測(cè)量。 *稱重傳感器分度值 稱重傳感器的測(cè)量范圍被等分后其中一份的大小。 *稱重傳感器檢定分度值（V） 為了準(zhǔn)確度分級(jí)，在稱重傳感器測(cè)試中采用的，以質(zhì)量單位表達(dá)的稱重傳感器分度值。 *稱重傳感器最小檢定分度值（Vmin） 稱重傳感器測(cè)量范圍可以被分度的最小檢定分度值勤。 *最小靜負(fù)荷（Fsmin） 可以施加于稱重傳感器而不會(huì)超出最大允許誤差的質(zhì)量的最小值。 *最大稱量 可以施加于稱重傳感器而不會(huì)超出最大允許誤差的質(zhì)量的最大值。 *非線性（L） 稱重傳感器進(jìn)程校準(zhǔn)曲線與理論直線的偏差。 *滯后誤差（H）施加同一級(jí)負(fù)荷時(shí)稱重傳感器輸出讀數(shù)之間的最大差值；其中一次是由最小靜負(fù)荷開始的進(jìn)程讀數(shù)，另一次是由最大稱量開始的回程讀數(shù)。 *蠕變（Cp） 在負(fù)荷不變，所有環(huán)境條件和其它變量也保持不變的情況下，稱重傳感器滿負(fù)荷輸出隨時(shí)間的變化。 *最小靜負(fù)荷輸出恢復(fù)植（CrFsmin）負(fù)荷施加前，后測(cè)得的稱重傳感器最小靜負(fù)荷輸出之間的差值。 *重復(fù)性誤差（R） 在相同的負(fù)荷和相同的環(huán)境條件下，使連續(xù)數(shù)次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得的稱重傳感器輸出讀數(shù)之間的差值。 *溫度對(duì)最小靜負(fù)荷輸出的影響（Fsmin） 由于環(huán)境溫度變化而引起的最小靜負(fù)荷輸出之間的變化。 *溫度對(duì)輸出靈敏度的影響（St） 由于環(huán)境溫度變化而引起的輸出靈敏度的變化。 *稱重傳感器測(cè)量范圍 被測(cè)量（質(zhì)量）值范圍，測(cè)量結(jié)果在此范圍內(nèi)不會(huì)超出最大允許誤差。 *安全極限負(fù)荷 可以施加于稱重傳感器的最大負(fù)荷，此時(shí)稱重傳感器在性能特征上，不會(huì)產(chǎn)生超出規(guī)定值的永久性漂移。 *溫濕度對(duì)最小靜負(fù)荷輸出影響（FsminH） 由于溫濕度變化而引起的最小靜負(fù)荷輸出的變化。 *溫濕度對(duì)輸出靈敏度的影響 由于溫濕度變化而引起的輸出靈敏度的變化。 此外，在《JJG699—90稱重傳感器檢定規(guī)程》中，還列出了一個(gè)技術(shù)參數(shù)，即 *最小負(fù)荷（Fmin） 力發(fā)生裝置能達(dá)到的最接近稱重傳感器最小靜負(fù)荷的質(zhì)量值。 正是因?yàn)閭鞲衅鳒y(cè)量時(shí)，總要在測(cè)力機(jī)上進(jìn)行，而又很難直接測(cè)量最小靜負(fù)荷點(diǎn)性能。再要說明一點(diǎn)，《OIML60號(hào)國際建議》是專門為稱重傳感器而制定的，它對(duì)稱重傳感器的評(píng)定的出發(fā)點(diǎn)就是要適應(yīng)衡器的要求。當(dāng)傳感器用于其它目的時(shí)，這種評(píng)估方式不一定最合適。 稱重傳感器選用的一般規(guī)則 在電子衡器中，選用何種稱重傳感器，要全面衡量。下面就稱重傳感器的結(jié)構(gòu)形式、量程，準(zhǔn)確度等級(jí)的選擇上講述一般要考慮的幾個(gè)方面。 一、結(jié)構(gòu)、形式的選擇 選用何種結(jié)構(gòu)形式的稱重傳感器，主要看衡器的結(jié)構(gòu)和使用的環(huán)境條件。如要制作低外形衡器，一般應(yīng)選用懸臂梁式和輪幅式傳感器，若對(duì)外形高度要求不嚴(yán)，則可采用柱式傳感器。此外，衡器使用的環(huán)境若很潮濕，有很多粉塵，則應(yīng)選擇密封形式較好的；若在有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)合，則應(yīng)選用本質(zhì)安全型傳感器；若在高架稱重系統(tǒng)中，則應(yīng)考慮安全及過載保護(hù)；若在高溫環(huán)境下使用，則應(yīng)選用有水冷卻護(hù)套的稱重傳感器；若在高寒地區(qū)使用，則應(yīng)考慮采用有加溫裝置的傳感器。 在形式選擇中，有一個(gè)要考慮的因素是，維修的方便與否及其所需費(fèi)用，即一旦稱重系統(tǒng)出了毛病，能否很順利、很迅速的獲得維修器件。若不能做到就說明形式選擇不夠合適。 二、量程的選擇 稱重系統(tǒng)的稱量值越接近傳感器的額定容量，則其稱量準(zhǔn)確度就越高，但在實(shí)際使用時(shí)，由于存在秤體自重、皮重及振動(dòng)、沖擊、偏載等，因而不同稱量系統(tǒng)選用傳感器的量限的原則有很大差別。作為一般規(guī)則，可有： *單傳感器靜態(tài)稱重系統(tǒng)：固定負(fù)荷（秤臺(tái)、容器等）+ 變動(dòng)負(fù)荷（需稱量的載荷）≤所選用傳感器的額定載荷 X 70% *多傳感器靜態(tài)稱重系統(tǒng)：固定負(fù)荷（秤臺(tái)、容器等）+ 變動(dòng)負(fù)荷（需稱量的載荷）≤選用傳感器額定載荷 X 所配傳感器個(gè)數(shù) X 70% 其中70%的系數(shù)即是考慮振動(dòng)、沖擊、偏載等因素而加的。 需要說明的是：首先，選擇傳感器得額定容量要盡量符合生產(chǎn)廠家的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品系列中的值，否則，選用了非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，不但價(jià)格貴，而且損壞后難以代換。其次，在同一稱重系統(tǒng)中，不允許選用額定容量不同的傳感器，否則，該系統(tǒng)沒法正常工作。再者，所謂變動(dòng)負(fù)荷（需稱量的載荷）是指加于傳感器的真實(shí)載荷，若從秤臺(tái)到傳感器之間的力值傳遞過程中，有倍乘和衰減的機(jī)構(gòu)（如杠桿系統(tǒng)），則應(yīng)考慮其影響. 三、 準(zhǔn)確度的選擇 稱重傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)的選擇，要能夠滿足稱重系統(tǒng)準(zhǔn)確度級(jí)別的要求，只要能滿足這項(xiàng)要求即可。即若2500分度的傳感器能滿足要求，切勿選用3000分度的。 若在一稱重系統(tǒng)中使用了幾只相同形式，相同額定容量的傳感器并聯(lián)工作時(shí)，其綜合誤差為Δ，則有: Δ=Δ/ n1/2 (2—12) 其中：Δ：?jiǎn)蝹€(gè)傳感器的綜合誤差； n：傳感器的個(gè)數(shù)。 另外，電子稱重系統(tǒng)一般由三大部分組成，他們是稱重傳感器，稱重顯示器和機(jī)械結(jié)構(gòu)件。當(dāng)系統(tǒng)的允差為1時(shí)，作為非自動(dòng)衡器主要構(gòu)成部分之一的稱重傳感器的綜合誤差（Δ）一般只能達(dá)到0.7的比例成分。根據(jù)這一點(diǎn)和式（2--12），自不難對(duì)所需的傳感器準(zhǔn)確度作出選擇。 四、某些特殊要求應(yīng)如何達(dá)到 在某些稱重系統(tǒng)中，可能有一些特殊的要求，例如軌道衡中希望稱重傳感器的彈性變形量要小一些，從而可以使秤臺(tái)在稱量時(shí)的下沉量小些，使得貨車在駛?cè)牒婉偝龀优_(tái)時(shí)，減小沖擊和振動(dòng)。另外，在構(gòu)成動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)時(shí)，不免要考慮所用稱重傳感器的自振頻率，是否能滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求。這些參數(shù)，在一般的產(chǎn)品介紹中是不予列出的。因此當(dāng)要了解這些技術(shù)參數(shù)時(shí)，應(yīng)向制造商咨詢，以免失誤。 使用稱重傳感器注意事項(xiàng) 電阻應(yīng)變式稱重傳感器本身是一種堅(jiān)固、耐用、可靠的機(jī)電產(chǎn)品。但為了保證測(cè)試精度，我們?nèi)杂性S多在使用中要注意的問題，下面列出一些基本要求。 一、機(jī)械安裝方面 稱重傳感器要輕拿輕放，尤其是由合金鋁制作彈性體的小容量傳感器，任何沖擊、跌落，對(duì)其計(jì)量性能均可能造成極大損害。對(duì)于大容量的稱重傳感器，一般來說，它具有較大的自重，故而要求在搬運(yùn)、安裝時(shí)，盡可能使用適當(dāng)?shù)钠鸬踉O(shè)備（如手拉葫蘆、電動(dòng)葫蘆等）。 安裝傳感器的底座安裝面應(yīng)平整、清潔，無任何油膜，膠膜等存在。安裝底座本身應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛性，一般要求高于傳感器本身的強(qiáng)度和剛度。 水平調(diào)整：水平調(diào)整有兩個(gè)方面的內(nèi)容。一是單只傳感器安裝底座的安裝平面要用水平儀調(diào)整水平，另一方面是指多個(gè)傳感器的安裝底座的安裝面要盡量調(diào)整到一個(gè)水平面上（用水準(zhǔn)儀），尤其是傳感器數(shù)多于三個(gè)的稱重系統(tǒng)中，更應(yīng)注意這一點(diǎn)，這樣做的主要目的是為了使各傳感器所承受的負(fù)荷基本一致。 每種稱重傳感器的加載方向都是確定的，而我們使用時(shí)，一定要在此方向上加載負(fù)荷。橫向力、附加的彎矩、扭矩力應(yīng)盡量避免。 盡量采用有自動(dòng)定位（復(fù)位）作用的結(jié)構(gòu)配件，如球形軸承、關(guān)節(jié)軸承、定位緊固器等。他們可以防止某些橫向力作用在傳感器上。要說明的是：有些橫向力并不是機(jī)械安裝引起的，如熱膨脹引起的橫向力，風(fēng)力引起的橫向力，及某些容器類衡器上的攪拌器的振動(dòng)引起的橫向力即不是機(jī)械安裝引起的。 某些衡器上有些必須接到秤體上的附件（如容器秤的輸料管道等），我們應(yīng)讓他們?cè)趥鞲衅骷虞d主軸的方向上盡量柔軟一些，以防止他們“吃掉”傳感器的真實(shí)負(fù)荷合而引起誤差。 稱重傳感器周圍應(yīng)盡量設(shè)置一些“擋板”，甚至用薄金屬板把傳感器罩起來。這樣可防止雜物玷污傳感器及某些可動(dòng)部分，而這種“沾污”往往會(huì)使可動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)不爽，而影響稱量精度。 系統(tǒng)有無運(yùn)動(dòng)不爽現(xiàn)象，可以用以下方法判別。即在秤臺(tái)上加或減大約千分之一額定負(fù)荷看看稱重顯示儀是否有反映，有反映，說明可動(dòng)部分未受“沾污”。 稱重傳感器雖然有一定的過載能力，但在稱重系統(tǒng)安裝過程中，仍應(yīng)防止傳感器的超載。要注意的是，即使是短時(shí)間的超載，也可能會(huì)造成傳感器永久損壞。在安裝過程中，若確有必要，可先用一個(gè)和傳感器等高度的墊塊代替?zhèn)鞲衅?，到最后，再把傳感器換上。 在正常工作時(shí)，傳感器一般均應(yīng)設(shè)置過載保護(hù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)件。 若用螺桿固定傳感器，要求有一定的緊固力矩，而且螺桿應(yīng)有一定的旋入螺紋深度。一般而言，固定螺桿因采用高強(qiáng)度螺桿。 傳感器應(yīng)采用鉸合銅線（截面積約50mm2）形成電氣旁路，以保護(hù)它們免受電焊電流或雷擊造成的危害。 傳感器使用中，必須避免強(qiáng)烈的熱輻射，尤其是單側(cè)的強(qiáng)烈熱輻射。 二、電氣連接方面 傳感器的信號(hào)電纜，不和強(qiáng)電電源線或控制線并行布置（例如不要把傳感器信號(hào)線和強(qiáng)電電源線及控制線置于同一管道內(nèi)）。若它們必須并行放置，那么，它們之間的距離應(yīng)保持在50CM以上，并把信號(hào)線用金屬管套起來。 不管在何種情況下，電源線和控制線均應(yīng)絞合起來，合程度50轉(zhuǎn)／米， 若傳感器信號(hào)線需要延長(zhǎng)，則應(yīng)采用特制的密封電纜接線盒。若不用此種接線盒，而采用電纜與電纜直接對(duì)接（錫焊端頭），則應(yīng)對(duì)密封防潮特別予以注意，接好后應(yīng)檢驗(yàn)絕緣電阻，且需達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)（2000～5000M），必要時(shí)，應(yīng)重新標(biāo)定傳感器。 若信號(hào)電纜線很長(zhǎng)，又要保證很高的測(cè)量精度，應(yīng)考慮采用帶有中繼放大器的電纜補(bǔ)償電路。 所有通向顯示電路或從電路引出的導(dǎo)線，均應(yīng)采用屏蔽電纜。屏蔽線的聯(lián)接及接地點(diǎn)應(yīng)合理。如圖2一9所示。若未通過機(jī)械框架接地，則在圖2一9A處接地，但屏蔽線互相聯(lián)接后未接地，是浮空的。 注意：有3只傳感器是全并聯(lián)接法，傳感器本身是4線制，但在接線盒內(nèi)換成6線制接法。 傳感器輸出信號(hào)讀出電路不應(yīng)和能產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾的設(shè)備（如可”控硅，接觸器等）及有可觀熱量產(chǎn)生的設(shè)備放在同一箱體中，若不能保證這一點(diǎn)，則應(yīng)考慮在它們之間設(shè)置障板隔離之，并在箱體內(nèi)安置風(fēng)扇。 用以測(cè)量傳感器輸出信號(hào)的電子線路，應(yīng)盡可能配置獨(dú)立的供電變壓器，而不要和接觸器等設(shè)備共用同一主電源。