电阻应变式称重传感器原理.docx

1、电阻应变式称重传感器原理电阻应变式称重传感器原理电阻应变式称重传感器原理 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：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

2、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，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：R = L/S（） （21） 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L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少r。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。 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：R = L/S + L/S SL/S2 （22） 用式（2-1）去除式（2-2）得到R/R = / + L/L S/S （23） 另外，

3、我们知道导线的横截面积S = r2，则 s = 2r*r，所以S/S = 2r/r （24） 从材料力学我们知道r/r = -L/L （25） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。是表示材料横向效应泊松系数。把式（24）（25）代入（2-3），有R/R = / + L/L + 2L/L=（1 + 2（/）/（L/L）*L/L= K *L/L （2-6）其中K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （-） 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

4、的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.73.6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L/L称作为应变，记作，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。这样，式（-）常写作：R/R = K (28)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。 以托利多公司的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

5、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。 = （3Q（1+）/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：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

6、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。电阻应变计 resistance strain gage 能将工程构件上的应变，即尺寸变化转换成为电阻变化的变换器（又称电阻应变片），简称为应变计。一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层组成（图1）。 将电阻应变计安装在构件表面，构件在受载荷后表面产生的微小变形（伸长或缩短），会使应变计的敏感栅随之变形,应变计的电阻就发生变化,其变化率和安装应变计处构件的应

7、变 成比例。测出此电阻的变化，即可按公式算出构件表面的应变，以及相应的应力。 将电阻应变计安装在构件表面，在应变计轴线方向的单向应力作用下，敏感栅的电阻变化率和引起此电阻变化的构件表面在应变计轴线方向的应变之比,称为电阻应变计的灵敏系数K，即 , 它表示电阻应变计输出信号与输入信号在数量上的关系，是电阻应变计的主要工作特性之一。 敏感栅的栅长一般为 0.2100毫米， 电阻为601000欧（最常用的为120欧和350欧），测量范围为几微应变至数万微应变（，1微应变=10-6毫米毫米）。 按敏感栅的材料，电阻应变计分为金属电阻应变计和半导体应变计两类。 金属电阻应变计 金属电阻应变计的种类、所使

8、用的材料和安装方法分述如下： 丝式应变计 这种应变计的敏感栅最常用的有丝绕式和短接线式两种(图2)。丝绕式的敏感栅是用直径 0.0150.05毫米的金属丝连续绕制而成，端部呈半圆形。如果安装应变计的构件表面存在两个方向的应变，此圆弧端除了感受纵向应变外，还能感受横向应变，后者称为横向效应。若对测量精度的要求较高，应考虑横向效应的影响并进行修正。短接线式的敏感栅采用较粗的横丝，将平行排列的一组直径为 0.0150.05毫米的金属纵丝交错连接而成，端部是平直的。它的横向效应很小，但耐疲劳性能不如丝绕式的。 箔式应变计 这种应变计的敏感栅用厚度 0.0020.005毫米的金属箔刻蚀成形。 用此法易于

9、制成各种形状的应变计（图3）。箔栅有如下优点:横向部分可以做成比较宽的栅条，使横向效应较小；箔栅很薄，能较好地反映构件表面的变形，因而测量精度较高；便于大量生产；能制成栅长很短的应变计。因此，箔式应变计得到广泛应用。 临时基底应变计 还有一种临时基底型的金属电阻应变计（图4）。制造时将用紫铜等材料制成的敏感栅粘在作为临时基底的框架上，使用时用粘结剂将敏感栅固定在构件上，然后将临时基底去掉。这种应变计多用于测量高温条件下的应变。 应用材料和安装方法 制造敏感栅的常用材料有铜镍合金（康铜）、镍铬系合金、铁铬铝合金、镍铬铁合金、铂和铂合金等。前三种最常用。这些合金的灵敏系数为26。 所用的粘结剂分为

10、有机粘结剂和无机粘结剂两类。在一般情况下，前者用在温度低于400时,后者则用于高温条件下。有机粘结剂包括硝化纤维、氰基丙烯酸酯、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺等。除前两种之外，使用时一般都要加温加压使其固化。常用的无机粘结剂有磷酸盐和喷涂用的金属氧化物。前者在使用时须加温固化。用作基底的材料有纸、胶膜、玻璃纤维布、金属薄片（或金属网）等。 把应变计粘贴在构件表面上有不同的安装方法：用纸、胶膜、玻璃纤维布作基底的应变计，用粘结剂粘贴；用金属薄片或金属网作基底的应变计，用点焊或滚焊固定在金属构件上;对于临时基底型应变计,用粘结剂或用氧炔焰或等离子焰将金属氧化物熔化并喷涂的方法，将敏感栅固

11、定于金属基底或构件表面上。 只用一个敏感栅的应变计，适用于测量单向应变。测量平面应力场的应变时，可采用应变花。 半导体应变计 将半导体应变计安装在被测构件上，在构件承受载荷而产生应变时，其电阻率将发生变化。半导体应变计就是以这种压阻效应作为理论基础的，其敏感栅由锗或硅等半导体材料制成。这种应变计可分为体型(图5)和扩散型两种。前者的敏感栅由单晶硅或锗等半导体经切片和腐蚀等方法制成，后者的敏感栅则是将杂质扩散在半导体材料中制成的。半导体应变计的优点是灵敏系数大，机械滞后和蠕变小，频率响应高；缺点是电阻温度系数大，灵敏系数随温度而显著变化，应变和电阻之间的线性关系范围小。正确选择半导体材料和改进生

12、产工艺，这些缺点可望得到克服。半导体应变计多用于测量小的应变(10-1微应变到数百微应变),已广泛用于应变测量和制造各种类型的传感器（见电阻应变计式传感器）。 半导体应变计中用薄膜作敏感栅的称为薄膜应变计。它是将金属、合金或半导体材料，用真空镀膜、沉积或溅射方法，在绝缘基底上制成一定形状的薄膜，其厚度从几十纳米至几万纳米不等。此外，还有灵敏系数很大的p-n结半导体应变计和压电场效应应变计。 电阻应变计的品种日益增加，应用范围也日益扩大，除了常用的品种和规格外，还有各种不同用途的应变计，如温度自补偿应变计、大应变应变计、应力计、测量残余应力的应变花等。利用箔式应变计的制造技术，还能生产出可以测量

13、温度、压力、疲劳寿命、裂纹扩展情况的各种片式检测元件（包括测温片、测压片、疲劳寿命计、裂纹扩展计等）。 电阻应变计 straingauge 基于电阻-应变效应的敏感元件。电阻-应变效应是指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象。当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加。反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小。电阻应变计与弹性敏感元件、补偿电阻一起可构成多种用途的电阻应变式传感器。电阻应变计按工艺可分为粘贴式、非粘贴式（又称张丝式或绕丝式）、焊接式、喷涂式等。其中粘贴式应变计（又称应变片）是应用最广，也是最早出现的应变计。它的工作原理是开尔文勋

14、爵于1856年发现的。 粘贴式应变计 它主要由 4部分组成。由电阻丝制成的敏感栅：是应变计的敏感部分；衬底和保护层：敏感栅粘贴在衬底上，衬底是将传感器弹性元件表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，起绝缘作用；保护层起保护电阻丝的作用；粘合剂：它将电阻丝与衬底粘贴在一起；引出线：它起连接测量导线的作用。按衬底材料和安装方法的不同，可把粘贴式应变计分为纸衬式、胶衬式、金属衬底式和临时衬底式等。敏感栅又有多种结构形式，可分为测量单方向应变的单轴式和测量两个方向以上应变的多轴式（又称应变花）两类。 箔式应变计 它的工作原理与粘贴式应变计相同，但敏感栅用金属箔（康铜、镍铬锰硅合金等）通过光刻、腐蚀等工艺

15、制成。箔式应变计的优点是：栅的尺寸准确、一致性好、适于大批量生产，易于小型化、易散热、疲劳寿命高等。 金属薄膜应变计 这种应变计是通过规定的掩板在表面有绝缘层的金属材料或玻璃等无机材料上溅射或沉积一层电阻材料薄膜制成的，也可采用光刻方法制造。还可直接将电阻材料沉积在传感器的弹性敏感元件上，达到更佳的效果。 张丝式应变计 它是利用一定结构使金属电阻丝张紧并能直接受力而产生电阻-应变效应的一种应变计,又称非粘贴式应变计。一种测量微小压力的张丝式应变计是将金属电阻线绕在固定于弹簧片上的数个柱子上制成的（图2）。当压力通过连杆加到弹簧片上时，弹簧片的变形使柱子移动，从而改变电阻线圈的张力而使其电阻发生

16、变化。线圈连接成桥式电路，于是电桥由于桥臂电阻的变化而失去平衡，产生正比于压力的输出电压。利用张丝式应变计的原理还可制成扭矩传感器和加速度计。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：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

17、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。我们来介芤幌滤 囊庖濉?span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，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：R = L/S（） （21）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L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少r。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。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：R = L/S + L/S SL/S2 （22）用式（2-1）去除式（

18、2-2）得到R/R = / + L/L S/S （23）另外，我们知道导线的横截面积S = r2，则 s = 2r*r，所以S/S = 2r/r （24）从材料力学我们知道r/r = -L/L （25）其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。是表示材料横向效应泊松系数。把式（24）（25）代入（2-3），有R/R = / + L/L + 2L/L=（1 + 2（/）/（L/L）*L/L= K *L/L （2-6）其中K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （-）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

19、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1.73.6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L/L称作为应变，记作，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。这样，式（-）常写作：R/R = K (28)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棗电信号的转换任务。以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的

20、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。 = （3Q（1+）/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：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

21、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。称重传感器常用技术参数一、用分项指标表示法 在介绍称重传感器技术参数时，传统的方法是采用分项指标，其优点是物理意义明确，沿用多年，熟悉的人较多。我们现在列出其主要项目如下：*额定容量 生产厂家给出的称量范围的上限值。*额定输出（灵敏度） 加额定载荷时和无载荷时，传感器输出信号的差值。由于称重传感器的输出信号与所加的激励电

22、压有关，所以额定输出的单位以mV/V来表示。并称之为灵敏度。*灵敏度允差 传感器的实际稳定输出与对应的标称额定输出之差对该标称额定输出的百分比。例如，某称重传感器的实际额定输出为2.002mV/V，与之相适应的标准额定输出则为2mV/V，则其灵敏度允差为：（2002 2。000）/2.000）*100% = 0.1%*非线性 由空载荷的输出值和额定载荷时输出值所决定的直线和增加负荷之实测曲线之间最大偏差对于额定输出值的百分比。*滞后允差 从无载荷逐渐加载到额定载荷然后再逐渐卸载。在同一载荷点上加载和卸载输出量的最大差值对额定输出值的百分比。重复性误差 在相同的环境条件下，对传感器反复加荷到额定

23、载荷并卸载。加荷过程中同一负荷点上输出值的最大差值对额定输出的百分比。*蠕变 在负荷不变（一般取为额定载荷），其它测试条件也保持不变的情形下，称重传感器输出随时间的变化量对额定输出的百分比。*零点输出 在推荐电压激励下，未加载荷时传感器的输出值对额定输出的百分比。*绝缘阻抗 传感器的电路和弹性体之间的直流阻抗值。*输入阻抗 信号输出端开路，传感器未加负荷时，从电源激励输入端测得的阻抗值。*输出阻抗 电源激励输入端短路，传感器未加载荷时，从信号输出端测得的阻抗。*温度补偿范围 在此温度范围内，传感器的额定输出和零平衡均经过严密补偿，从而不会超出规定的范围。零点温度影响 环境温度的变化引起的零平衡

24、变化。一般以温度每变化10K时，引起的零平衡变化量对额定输出的百分比来表示。*额定输出温度影响 环境温度的变化引起的额定输出变化。一般以温度每变化10K引起额定定输出的变化量额定输出的百分比来表示。*使用温度范围 传感器在此温度范围内使用其任何性能参数均不会产生永久性有害变化.二、在OIML60号国际建议中采用的术语。 以OIML60号国际建议年版为基础，参考JJG669-90称重传感器检定规程新的技术参数大致有：*称重传感器输出 被测量（质量）通过称重传感器转换而得到的可测量。*称重传感器分度值 称重传感器的测量范围被等分后其中一份的大小。*称重传感器检定分度值（V） 为了准确度分级，在称重

25、传感器测试中采用的，以质量单位表达的称重传感器分度值。*称重传感器最小检定分度值（Vmin） 称重传感器测量范围可以被分度的最小检定分度值勤。*最小静负荷（Fsmin） 可以施加于称重传感器而不会超出最大允许误差的质量的最小值。*最大称量 可以施加于称重传感器而不会超出最大允许误差的质量的最大值。*非线性（L） 称重传感器进程校准曲线与理论直线的偏差。*滞后误差（H）施加同一级负荷时称重传感器输出读数之间的最大差值；其中一次是由最小静负荷开始的进程读数，另一次是由最大称量开始的回程读数。*蠕变（Cp） 在负荷不变，所有环境条件和其它变量也保持不变的情况下，称重传感器满负荷输出随时间的变化。*最

26、小静负荷输出恢复植（CrFsmin）负荷施加前，后测得的称重传感器最小静负荷输出之间的差值。*重复性误差（R） 在相同的负荷和相同的环境条件下，使连续数次进行实验所得的称重传感器输出读数之间的差值。*温度对最小静负荷输出的影响（Fsmin） 由于环境温度变化而引起的最小静负荷输出之间的变化。*温度对输出灵敏度的影响（St） 由于环境温度变化而引起的输出灵敏度的变化。*称重传感器测量范围 被测量（质量）值范围，测量结果在此范围内不会超出最大允许误差。*安全极限负荷 可以施加于称重传感器的最大负荷，此时称重传感器在性能特征上，不会产生超出规定值的永久性漂移。*温湿度对最小静负荷输出影响（Fsmin

27、H） 由于温湿度变化而引起的最小静负荷输出的变化。*温湿度对输出灵敏度的影响 由于温湿度变化而引起的输出灵敏度的变化。此外，在JJG69990称重传感器检定规程中，还列出了一个技术参数，即*最小负荷（Fmin） 力发生装置能达到的最接近称重传感器最小静负荷的质量值。正是因为传感器测量时，总要在测力机上进行，而又很难直接测量最小静负荷点性能。再要说明一点，OIML60号国际建议是专门为称重传感器而制定的，它对称重传感器的评定的出发点就是要适应衡器的要求。当传感器用于其它目的时，这种评估方式不一定最合适。称重传感器选用的一般规则在电子衡器中，选用何种称重传感器，要全面衡量。下面就称重传感器的结构形

28、式、量程，准确度等级的选择上讲述一般要考虑的几个方面。一、结构、形式的选择选用何种结构形式的称重传感器，主要看衡器的结构和使用的环境条件。如要制作低外形衡器，一般应选用悬臂梁式和轮幅式传感器，若对外形高度要求不严，则可采用柱式传感器。此外，衡器使用的环境若很潮湿，有很多粉尘，则应选择密封形式较好的；若在有爆炸危险的场合，则应选用本质安全型传感器；若在高架称重系统中，则应考虑安全及过载保护；若在高温环境下使用，则应选用有水冷却护套的称重传感器；若在高寒地区使用，则应考虑采用有加温装置的传感器。 在形式选择中，有一个要考虑的因素是，维修的方便与否及其所需费用，即一旦称重系统出了毛病，能否很顺利、很

29、迅速的获得维修器件。若不能做到就说明形式选择不够合适。二、量程的选择称重系统的称量值越接近传感器的额定容量，则其称量准确度就越高，但在实际使用时，由于存在秤体自重、皮重及振动、冲击、偏载等，因而不同称量系统选用传感器的量限的原则有很大差别。作为一般规则，可有： *单传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+ 变动负荷（需称量的载荷）所选用传感器的额定载荷 X 70% *多传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+ 变动负荷（需称量的载荷）选用传感器额定载荷 X 所配传感器个数 X 70%其中70%的系数即是考虑振动、冲击、偏载等因素而加的。需要说明的是：首先，选择传感器得额定容量要尽量

30、符合生产厂家的标准产品系列中的值，否则，选用了非标准产品，不但价格贵，而且损坏后难以代换。其次，在同一称重系统中，不允许选用额定容量不同的传感器，否则，该系统没法正常工作。再者，所谓变动负荷（需称量的载荷）是指加于传感器的真实载荷，若从秤台到传感器之间的力值传递过程中，有倍乘和衰减的机构（如杠杆系统），则应考虑其影响.三、准确度的选择称重传感器的准确度等级的选择，要能够满足称重系统准确度级别的要求，只要能满足这项要求即可。即若2500分度的传感器能满足要求，切勿选用3000分度的。 若在一称重系统中使用了几只相同形式，相同额定容量的传感器并联工作时，其综合误差为，则有:=/ n1/2 (212)其中：单个传感器的综合误差； n：传感器的个数。 另外，电子称重系统一般由三大部分组成，他们是称重传感器，称重显示器和机械结构件。当系统的允差为1时，作为非自动衡器主要构成部分之一的称重传感器的综合误差（）一般只能达到0.7的比例成分。根据这一点和式（2-12），自不难对所需的传感器准确度作出选择。四、某些特殊要求应如何达到在某些称重系统中，可能有一些特殊的要求，例如轨道衡中希望称重传感器的弹性变形