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稱重傳感器簡介(連載一)
發布時間:2016-10-31     閱讀:1254
  稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。用傳感器應先要考慮傳感器所處的實際工作環境,這點對正確選用稱重傳感器至關重要,它關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命,乃至整個衡器的可靠性和安全性。在稱重傳感器主要技術指標的基本概念和評價方法上,新舊國標有質的差異。主要有S型、懸臂型、輪輻式、板環式、膜盒式、橋式、柱筒式等幾種樣式。

  衡器上使用的一種力傳感器。它能將作用在被測物體上的重力按一定比例轉換成可計量的輸出信號??紤]到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉換的影響,稱重傳感器的性能指標主要有線性誤差、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質量計量系統中,通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器準確度,并將綜合誤差帶與衡器誤差帶(圖1)聯系起來,以便選用對應于某一準確度衡器的稱重傳感器。國際法制計量組織(OIML)規定,傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70%,稱重傳感器的線性誤差、滯后誤差以及在規定溫度范圍內由于溫度對靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶δ。這就允許制造廠對構成計量總誤差的各個分量進行調整,從而獲得期望的準確度。

電阻應變式

  利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作(圖11)。主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。

  電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理:彈性體(彈性元件,敏感梁)在外力作用下產生彈性變形,使粘貼在它表面的電阻應變片(轉換元件)也隨同產生變形,電阻應變片變形后,它的阻值將發生變化(增大或減?。?,再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號(電壓或電流),從而完成了將外力變換為電信號的過程。

  由此可見,電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。

一、電阻應變片

  電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上,即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。

  設有一個金屬電阻絲,其長度為L,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是μ。當這根電阻絲未受外力作用時,它的電阻值為R:

R = ρL/S(Ω) (2—1)

  當他的兩端受F力作用時,將會伸長,也就是說產生變形。設其伸長ΔL,其橫截面積則縮小,即它的截面圓半徑減少Δr。此外,還可用實驗證明,此金屬電阻絲在變形后,電阻率也會有所改變,記作Δρ。

  對式(2--1)求全微分,即求出電阻絲伸長后,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)

  從材料力學我們知道

Δr/r = -μΔL/L (2—5)

  其中,負號表示伸長時,半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松系數。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))說明了電阻應變片的電阻變化率(電阻相對變化)和電阻絲伸長率(長度相對變化)之間的關系。

  需要說明的是:靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數,它和應變片的形狀、尺寸大小無關,不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間;其次K值是一個無因次量,即它沒有量綱。

  在材料力學中ΔL/L稱作為應變,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

  彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個,首先是它承受稱重傳感器所受的外力,對外力產生反作用力,達到相對靜平衡;其次,它要產生一個高品質的應變場(區),使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。

  以稱重傳感器的彈性體為例,來介紹一下其中的應力分布。

  設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。

  肓孔底部中心是承受純剪應力,但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神,一為壓縮,若把應變片貼在這里,則應變片上半部將受拉伸而阻值增加,而應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的應變表達式,而不再推導。

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--揚氏模量:μ—泊松系數;B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。

需要說明的是,上面分析的應力狀態均是“局部”情況,而應變片實際感受的是“平均”狀態。



三、檢測電路

  檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。因為惠斯登電橋具有很多優點,如可以抑制溫度變化的影響,可以抑制側向力干擾,可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等,所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。

  因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高,各臂參數一致,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。

常用材料

  稱重傳感器性能的好壞很大程度上取決于制造材料的選擇。稱重傳感器材料包括以下幾個部分:應變片材料、彈性體材料、貼片黏合劑材料、密封膠材料、引線密封材料和引線材料。
  應變片和電阻元件材料
  應變片是稱重傳感器的感應部分,它將外力的大小轉化為電學量輸出,是傳感器最重要的組成部分,常用的應變片基材采用高分子薄膜材料,應變材質通常為高純度康銅 。應變片的性能不僅僅與基材和康銅純度有關,還與制造工藝有關。提高工藝技術水平也是改善傳感器性能一個很重要的方面。
  彈性體材料
  稱重傳感器彈性體的作用是傳遞外力,它必須具有在受到相同力大小的時候,產生形變一樣,因為應變片就粘貼在彈性體上面,彈性體的形變就是應變片的形變;同時它還須具有復位性,在外力消失的時候,可以自動復位。彈性體材料通常選擇各樣金屬,主要有鋁合金、不銹鋼和合金鋼等等。
  貼片黏合劑材料
  貼片黏合劑是把應變片和彈性體牢牢固定在一起,使它們產生的形變永遠一致。由此可見,貼片黏合劑也是一個重要部件。21世紀初,使用叫多的貼片黏合劑是雙組分高分子環氧系列黏合劑。21世紀初,它的性能與它自身的純度、混合方式、儲存時間、固化方式、固化時間等關系很大,在使用之前按要仔細看它的詳細介紹。
  密封膠材料
  早期的稱重傳感器密封都采用密封膠,后來由于制造技術的發展,用焊接技術可以提高極大傳感器的穩定性和使用壽命。雖然21世紀初很多采用了焊接技術,但是某些重要部位還需涂抹一些密封膠。密封膠一般都采用硅膠,硅膠具有穩定性好的優點,可以防潮、防腐蝕,絕緣性能也非常好。
  引線密封和引線材料
  傳感器輸出引線如果不固定的話,會發生損壞或松動,導致信號不穩定或沒有輸出。21世紀初傳感器輸出都采用連接器的方式,連接器的材質和緊固力度也會給輸出帶來影響。最好采用連接器跟密封膠配合使用。內部引線也需要固定,防止其到處移動。引線的質量也很重要,其材質性能從高到低的排列順序依次為鍍銀、銅線和鋁線。如果周圍高頻信號、無線電波干擾嚴重的話,還需采用屏蔽電纜;在腐蝕性環境和易燃易爆場合則需要采用防腐防阻燃和防爆電纜,外加套管進行保護。


未完待續......

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