项目一电子秤的力测量系统.docx

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项目一电子秤的力测量系统

项目一调光灯电路的连接与调试

【学习目标】：

完成本课题的学习后，能够：

1、了解利用电阻应变式传感器进行力测量的原理及用途；

2、能够工程举例；

3、能够设计制作实际电路；

4、能够探索传感器新的应用领域；

5、掌握电阻应变片的测量电路；

6、掌握本项目需要的原件的工作原理和应用；

7、掌握金属应变传感器的工作原理；

8、掌握电阻应变传感器的结构与特性；

9、掌握电阻应变传感器的电路测试

9、掌握电子秤的设计原理和电路图；

10、了解电子秤的元件选取原则和电路调试。

【项目描述】：

电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动”称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求，该项目我们采用一体化教学方法进行，

【相关知识点】：

一、金属电阻应变式传感器

金属电阻应变式传感器是一种利用金属电阻应变片将应变转换成电阻变化的传感器。

1.工作原理

1．电阻—应变效应

当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，这种现象称为金属导体的电阻—应变效应。

金属导体的电阻—应变效应用灵敏系数K描述

（1-1）

式中，=l/l——轴向应变。

考虑一段金属导体（l,ρ,s），如图1-1所示

图1-1金属电阻应变效应

未受力时，原始电阻为

（1-2）

当受拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻率ρ则因晶格变形等因素的影响而改变Δρ，故引起电阻变化ΔR。

将式（1-2）全微分，并利用相对变化量表示，则有

（1-3）

式中，Δl/l=ε，为金属导体电阻丝的轴向应变，常用单位με（με=1×10-6mm/mm），由于S=πd2/4,则ΔS/S=2Δd/d,其中Δd/d为横向（纵向）应变；且由材料力学知，Δd/d=με，式中为金属材料的泊松比。

将前面关系代入式（1-3）得

（1-4）

其应变灵敏度为

（1-5）

对于金属材料，Δρ/ρ较小，可以略去。

一般情况下，在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比

ΔR/R=K•ε（1-6）

2.应变片测试原理

使用应变片测量应变或应力时，将应变片牢固地粘贴在弹性试件上，当试件受力变形时，应变片电阻变化ΔR。

如果应用测量电路和仪器测出ΔR，根据式（1-6），可得弹性试件的应变值ε，而根据应力—应变关系：

σ=Eε，（1-7）

可以得到被测应力值σ。

其中E—试件材料弹性模量，σ—试件的应力，ε—试件的应变。

力→应力σ→应变ε（ε=σ/E）→ΔR

通过弹性敏感元件的作用，可以将应变片测应变的应用扩展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量，从而构成各种电阻应变式传感器。

3.应变片的结构，材料和类型

金属电阻应变片的结构，如图1-2所示，由敏感栅、基底、盖片、引线和粘

结剂组成。

图1-2电阻应变片的基本结构

1-基底;1-敏感栅;3-覆盖层;4-引线

1、敏感栅

1）丝式应变片,=0.012～0.05mm金属细丝绕成细状,栅长=0.2,0.5,1.0,100,200mm等。

2）箔式应变片,由厚度为0.003～0.01mm的金属箔片制成各种图形的敏感栅,亦称应变花,如图1-3所示。

其优点

（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀和适应各种不同测量要求的形状，其栅长可做到0.2mm；

（2）敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传递试件应变性能好；

（3）散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度；

（4）横向效应小；

（5）蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

图1-3箔式电阻应变片

3）金属薄膜应变片，利用真空镀膜等方式在绝缘基底上制成各种形状的薄膜敏感栅,膜厚小于1μm。

这种应变片具有比箔式应变片更多的优点。

4）敏感栅材料的性能要求：

（1）应变灵敏系数较大，且在所测应变范围内保持常数；

（2）电阻率高而稳定，便于制造小栅长的应变片；

（3）电阻温度系数较小，电阻—温度间的线性关系和重复性好；

（4）机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间的接触电势小；

（5）抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。

2、基底和盖片

基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且有绝缘作用。

一般为厚度0.02～0.05mm的环氧树脂、酚醛树脂等胶基材料。

对基底和盖片材料的性能要求：

机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电绝缘性好；热稳定性和搞温性好；无滞后和蠕变。

3、引线

作用：

连接敏感栅和外接导线。

一般采用=0.05～0.1mm的银铜线、铬镍线、卡马线、铁铅丝等,与敏感栅点焊焊接。

4、粘结剂

作用:

将敏感栅固定于基片上,并将盖片与基底粘结在一起；使用时,用粘结剂将应变片粘贴在试件的某一方向和位置，以便感受试件的应变。

粘结剂材料:

有机和无机两大类。

粘贴工艺:

应变片静放于试件上,粘贴牢固可靠。

4.金属电阻应变片的主要特性

1、应变片的电阻值（R0）

应变片不受外力作用情况下,于室温条件测定的电阻值（原始电阻值）,已标准化.主要有60,120,350,600,1000Ω等各种规格。

2、绝缘电阻

敏感栅与基底之间电阻值,一般应大于1010Ω。

3、灵敏系数（K）

电阻应变片的电阻—应变特性与金属丝时不同，须用实验法对电阻应变片的灵敏系数K重新测定。

测定时将应变片安装于试件（泊松比=0.285的钢材）表面，在其轴线方向的单向应力作用下，且保证应变片轴向与主应力轴向一致的条件下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比，即K=（ΔR/R）∕（Δl/l），而且一批产品只能进行抽样（5%）测定，取平均K值及允许公差值为应变片的灵敏系数，有时称“标称灵敏系数”。

4、允许电流

指不因电流产生的热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。

静态测量时，允许电流一般为25mA；

动态测量时，允许电流可达75～100mA。

5、横向效应与横向灵敏系数

将金属丝绕成敏感栅构成应变片后，在轴向单向应力作用下，由于敏感栅“横栅段”（圆弧或直线）上的应变状态不同于敏感栅“直线段”上的应变，使应变片敏感栅的电阻变化较相同长度直线金属丝在单向应力作用下的电阻变化小，因此，灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。

如图1-4所示。

图1-4横向效应

（1-11）

应当指出，制造厂商在标定应变片的灵敏系数K时，是按规定的特定应变场（单向应力场，μ=0.285）下进行的，标定出的K值实际上也将横向效应的影响包括在内，只要应变片在实际使用时，符合特定条件（如平面应力状态，或试件的μ≠0.285），则会引起一定的横向效应误差，需进行修正。

6、机械滞后

应变片粘贴在试件上，应变片的指示应变εi与试件的机械应变εm之间应当是一确定的关系。

但在实际应用时，在加载和卸载过程中，对于同一机械应变εj，应变片卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，这种现象称为应变片的机械滞后，如图1-5所示；其最大差值Δεm称为应变片的机械滞后值。

图1-5应变片的机械滞后图1-6应变极限

7．应变极限

对于已粘贴好的应变片，其应变极限是指在一定温度下，指示应变εm与受力试件的真实应变εi的相对误差达到规定值（一般为10%）时的真实应变εj，如图1-6所示。

8、零漂和蠕变

粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在试件不受力（即无机械应变）的情况下，其电阻值（即指定应变）随时间变化的特性称为应变片的零漂；如果应变片承受恒定机械应变（1000με内）长时间作用，其指示应变随时间变化的特性称为应变片的蠕变。

9、动态特性

应变测试中，应变片的指示应变是敏感栅覆盖面积下的轴向平均应变。

静态测试时，应变片能正确反映它所处受力试件内各点的应变；

动态测试时，应变是以应变波的形式沿应变的敏感栅的长度方向传播，因而应变片反映的平均应变与瞬时应变有一定差异，产生动态误差。

5.温度误差及其补偿

1、温度误差

作为测量用的应变片，希望它的电阻只随应变而变，而不受其他因素的影响。

实际上，应变片的电阻受环境温度（包括试件的温度）的影响很大。

因环境温度改变引起电阻变化的主要因素有两方面：

一方面是应变片电阻丝的温度系数；另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。

2、温度补偿

1）双金属敏感栅应变片（组合式自动补偿应变片）

图1-7双金属线补偿法

两段敏感栅Ra和Rb电阻温度系数相反，串联连接，可实现温度补偿。

通过调节两种敏感栅的长度比以便在一定受力试件材料上于一定温度范围内获得较好的温度自补偿。

2）电路补偿法

（1）差动电桥线路补偿，如图1-8所示。

图1-8电路补偿法

（2）热敏电阻电路补偿，如图1-9所示。

图1-9热敏电阻温度补偿法

当温度升高应变片的灵敏度下降时，负温度系数热敏电阻R电阻也下降，使电桥的输入电压升高，提高电桥的输出阻抗电压。

选择分流电阻R，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出影响得到很好的补偿。

3、测量电路

电阻应变式传感器的测量电路常采用电桥电路。

图1-10直流电桥

1）直流电桥的主要特性

当RL→∞时，电桥输出阻抗电压

当电桥各桥臂均有相应电阻变化ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4时

（当R=R1=R2=R3=R4）

（当ΔRi<

讨论：

（1）当RRi时，电桥的输出电压与应变成线性关系。

（2）若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不一致时，输出电压为两者之和。

（3）若相对两桥臂的应变极性一致时，输出电压为两者之和；反之，输出电压为两者之差。

合理地利用上述特性来粘贴应变片，可以提高传感器的测量灵敏度和获得温度补偿等。

2）单臂工作电桥的非线性及差动电桥

（1）单臂工作电桥，设ΔR1=ΔR，ΔR2=ΔR3=ΔR4=0，则

（1-39）

线性输出

非线性误差

（1-40）

（2）差动电桥

半桥差动：

ΔR1=-ΔR2=ΔR,ΔR3=ΔR4=0，如图1-14（a）所示，

（1-41）

全桥差动：

ΔR1=-ΔR2=-ΔR3=ΔR4=ΔR，如图1-14（b）所示，

（1-42）

图1-11差动电桥电路

差动电桥不仅可以提高输出电压，而且还具有温度补偿作用，设温度变化所引起的附加应变为t或附加电阻变化ΔRt，则半桥差动时

ΔR1=ΔR+ΔRt，ΔR2=﹣ΔR+ΔRt；ε1=ε+εt，ε2=﹣ε+εt，则

或

3）应变片的串联与并联工作方式

图1-12串联式和并联式半桥电路

如图1-12，桥臂由n个阻值为R的应变片串联（或并联）而成，设各电阻应变片电阻变化分别

为ΔR1,ΔR2,ΔR3…ΔRn=ΔR，则

串联工作：

R1=R2=nR

=ε（1-43）

并联工作：

R1=R2=R/n

（1-44）

电阻应变片串联和并联都不会增加电桥输出，但串联工作时具有平均效应，且可在应变片极限电流条件下，提高供桥电压，相应提高电桥输出；并联时，在应变片极限电流条件下相应提高电桥输出电流n倍。

二、电阻应变式传感器

弹性敏感元件+电阻应变片→电阻应变式传感器

1.电阻应变式力传感器

1、柱（筒）式力传感器

图1-17为柱（筒）式力传感器，弹性敏感元件为实心或空心的柱体（截面积为S，材料弹性模量为E），当柱体轴向受拉（压）力F作用时，在弹性范围内，应力与应变成正比关系

图1-13柱式力传感器

地磅称一般采用柱式力传感器。

2、悬臂梁式力传感器

如图1-18所示，当力F作用在弹性臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面对称位置上应变大小相当，极性相反，若分别粘贴应变片R1、R4和R2、R3，并接成差动电桥，则电桥输出电压Uo与力F成正比。

图1-14悬臂粱式力传感器

3、其它特殊悬臂梁力传感器（图1-15）

图1-15特殊粱式力传感器

（a）双孔粱；（b）单孔粱；（c）、（d）S型粱

电子称一般采用悬臂梁式力传感器。

4、薄壁圆环式力传感器（图1-16）

图1-16薄壁圆环式力传感器示意图

5、轮辐式力传感器（图1-17）

图1-17轮辐式力传感器示意图

6、轴剪切力传感器（图1-18）

图1-18轴弹性元件式测力传感器

应变片的粘贴方式和测量电桥的连接如图1-18所示，当弹性轴剪切力作用

时，应变片受拉力，受压应力这种力传感器主要用于扭矩测量。

2．电阻应变式压力传感器

1、筒式压力传感器（图1-19）

图1-19筒式压力传感器

在筒径向或筒的实心底部贴温度补偿应变片。

这种压力传感器一般用于管道，枪（炮）受力测量。

2、膜片式压力传感器（图1-20）

图1-20膜片式压力传感器图1-21圆箔式应变片

适当粘贴应变片，如图1-20所示，使粘贴在r>rc区域的径向应变片R1、R4感受的应变与粘贴在r

膜片式压力传感器的应变片一般利用金属箔作成如图1-21所示应变花的形式。

3、组合式压力传感器（图1-22）

图1-22组合式压力传感器

3.电阻应变式加速度传感器

电阻应变式加速度传感器如图1-23所示.。

图1-23应变式加速度传感器

1-质量块；1-应变粱；3-硅油阻尼液；4-应变片；5-温度补偿电阻；3-绝缘套管；

7-接线柱；8-电缆；9-压线板；10-壳体；11-保护块

1）结构：

惯性质量块、弹性悬臂梁和电阻应变片组成，如图1-27（a）所示。

2）原理：

加速度a→质量块惯性作用力ma→悬臂梁变形ε→电阻应变片产生电阻变化ΔR。

4.电阻应变式传感器应用实例

1、基本应用——平面膜片式压力传感器

图1-24所示为压力应变计原理电路。

图1-24压力应变计

2、手提式数字电子称

准S型称重传感器如图1-25所示。

图1-25准S型称重传感器

测量电路如图1-26所示

图1-26手提数字电子称测量电路

（a）小数点显示电路；（b）手提数字电子称电路图

三、半导体应变片及压阻式传感器

1.半导体应变片

1、半导体材料的压阻效应

半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为半导体材料的压阻效应。

对于长l，截面积S，电阻率ρ的条形半导体应变片，在轴向力F作用下利用式（1-4）的结果

（1-45）

应变灵敏系数

（1-46）

式中，E—半导体应变片材料的弹性模量；

πL—半导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向有关。

2、体形半导体应变片的结构形式

如图1-27所示。

图1-27体型半导体应变片的结构形状

3、半导体电阻应变片的测量电路

直流电阻电桥电路，但须采用温度补偿措施，如图1-28所示

图1-28温度补偿电路

2.压阻式传感器

利用半导体材料的压阻效应，在一定晶向的晶片上利用集成电路工艺技术扩散制作应变电阻和

测量电路，称为扩散硅压阻式传感器或固态压阻式传感器。

1、压阻式压力传感器

图1-29压阻式压力传感器

2、压阻式加速度传感器

压阻式加速度传感器结构如图1-30所示。

以硅悬臂梁作为敏感元件，在其根部上下表面扩散制作四个应变电阻，在其自由端装惯性质量m。

当壳体作加速（a）运动时→质量块产生惯性力ma→硅梁变形ε→扩散电阻变化R。

图1-30压阻式加速度传感器结构图

3．应用实例

1、恒流工作测压电路，如图1-31所示。

图1-31固态压阻式传感器恒流工作电路

2、恒压工作测压电路，如图1-37所示。

图1-32固态压阻式传感器恒压工作电路

3、压力控制电路，如图1—33所示。

图1-33压力控制原理图

*任务实施

电子秤的制作

一、电路原理图

如图所示1-34所示

图1-34电子秤原理图

二、元件选取

1）IC1选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精度低温标精密运放OP-07；IC4选用LM385-1.2V

2）传感器R1选用E350-ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值350Ω

3）各电阻元件宜选用精密金属膜电阻

4）RP1选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替

5）电容中C1选用云母电容或瓷介电容

三、制作

1）电子线路的制作

元件位置：

横平竖直，间距适当；

焊锡：

控制焊点大小，注意虚焊

2）变形钢件的制作

可用普通钢锯条制作，先将锯齿磨平，再将锯条加热弯成“U”形，并在对应位置钻孔，以装显示部件。

然后再进行淬火和表面处理，秤钩粘于钢件底部。

应变片用应变粘胶接于钢件变形最大的部位。

四、调试

1）在秤体自然下垂无负载时调RP1，显示为零；

2）再调整RP2，使体承担满量程2KG时显示满量程值；

3）然后在悬秤钩下悬挂1KG的标准砝码，观察显示器是否显示1.000，如有偏差可调整RP3，使之准确显示1.000；

4）重新进行2、3步骤，使之均满足要求为止；

5）准确测量RP2、RP3值，用固定精密电阻替代。