【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用時(shí)，就不需要進(jìn)行過于復(fù)雜的補(bǔ)償。這樣，無論從經(jīng)濟(jì)上，還是從可靠性方面考慮都是有利的。 相反，在一些要求精確稱量的場(chǎng)合，尤其在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無法進(jìn)行調(diào)整檢測(cè)的電子衡器或 測(cè)力系統(tǒng)就不但要求考慮線性、重復(fù)性、滯后三項(xiàng)精度，而且還要考慮因溫度變化引起的誤差、蠕變誤差及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 傳感器量程的選擇決定于下列因素：①被稱量物料最大的重量；②秤臺(tái)或裝置的自重；③傳感器設(shè)置的數(shù)量；④正常操作下，最大可能產(chǎn)生的偏載；⑤稱量狀況下可能出 現(xiàn)的動(dòng)載和沖擊以及其他可能附加產(chǎn)生的干擾力。其中，④、⑤兩條對(duì)于不同的衡器、不同稱量對(duì)象、不同的進(jìn)料方式是各不相同的。因此，對(duì)于不同類型的衡器，在同樣的稱量負(fù)荷下，傳感器量程的選擇是不同的。 綜合許多國外引進(jìn)的電子衡器中的傳感器量程選 擇和國內(nèi)許多衡器廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在稱量?jī)x表允許的條件下，一般傳感器選擇量程為實(shí)際最大受載的 2～ 倍。因?yàn)槿魏坞娮雍馄骶豢杀苊獾拇嬖谥鴽_擊、振動(dòng)和偏載，而有些可能產(chǎn)生的力量是難以準(zhǔn)確估計(jì)的；再則，選擇傳感器量程時(shí)所選定的沖擊系數(shù)、重心偏移系數(shù)事實(shí)上也不是很確切的。所以，從電子衡器最根本的性能指標(biāo) —— 可靠性來考慮，選用盡可能大的量程無疑是有利的。 傳感器技術(shù)參數(shù)的選擇主要有以下幾個(gè)方面： （ 1）允許的不重復(fù)性誤差、非線性誤差、滯后誤差。上述技術(shù)參數(shù)應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)精度要求確定； (2)傳 感器輸出靈敏系數(shù)及是否要求規(guī)范化。輸出靈敏系數(shù)由彈性體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)時(shí)確定的應(yīng)力水平所決定，因此，用戶應(yīng)遵循生產(chǎn)廠提供的參數(shù)來選擇。 國內(nèi)各種傳感器的靈敏系數(shù)和輸出、輸入阻抗正逐步規(guī)范化，以使傳感器成為一個(gè)全國性甚至國際上可互換的商品。 (3)橋路阻抗和激勵(lì)電壓。在原稱量系統(tǒng)已有激勵(lì)電源的使用場(chǎng)合，使用者必須考慮所選傳感器施加的橋壓。因?yàn)閼?yīng)變片允許通過的電流是有規(guī)定的（ 20～ 25mA）。用戶應(yīng)根據(jù)已有的測(cè)量系統(tǒng)提供的橋壓選擇合適的應(yīng)變片，以避免產(chǎn)生差錯(cuò)。 （ 4）復(fù)零特性、溫漂特性、時(shí)漂特性、固有頻率等。對(duì)于一些 精密稱量場(chǎng)合，在必要時(shí)用戶可對(duì)生產(chǎn)廠提出一些更詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)要求。 對(duì)傳感器來說，在彈性體完成貼片組橋補(bǔ)償后，就開始受到環(huán)境中潮氣的侵蝕。在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，若不加以可靠密封，就會(huì)受到工作環(huán)境中存在的潮氣、腐蝕性氣體和介質(zhì)、水、灰塵的損害，所以工程上用傳感器必須具有防護(hù)外罩，采用密封措施。 對(duì)于在室內(nèi)干凈、干燥環(huán)境下工作的傳感器，可以選擇涂膠密封的傳感器；而對(duì)于一些在潮濕環(huán)境下工作，甚至可能遭受水淹場(chǎng)合下工作的傳感器，必須選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器。 對(duì)于在嚴(yán)重腐 蝕性環(huán)境下工作的傳感器，則必須選擇外表面進(jìn)行噴塑或不銹鋼外罩的傳感器。 稱重傳感器的基本結(jié)構(gòu) 常規(guī)稱重傳感器的結(jié)構(gòu)基本可劃分為下列幾種 ??4 ，它們各有其適應(yīng)的稱量范圍和獨(dú)特的性能，這將為選型提供方便。 柱式傳感器是一種最古老的結(jié)構(gòu)形式，它的稱量范圍比較大，一般為幾十噸到幾百噸。 輪輻式傳感器常規(guī)量程范圍在 1t～ 5t 之間，多用于電子汽車秤、電子軌道衡、電子鋼材秤、料斗秤。但在較大量程時(shí)，常因周邊固支剛度不夠而引起較大 的滯后誤差，所以目前在國內(nèi)已大多被量程范圍寬、結(jié)構(gòu)更合理、加工方便的橋式傳感器所取代。在料斗秤及其它適宜采用圓柱外形的場(chǎng)合，輪輻式傳感器仍在應(yīng)用。 橋式傳感器實(shí)際上是一種雙梁式傳感器，國內(nèi)統(tǒng)稱為橋式是由其彈性體形態(tài)似橋而得名。橋式傳感器已普遍用于無坑式汽車秤、各種平臺(tái)秤及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電子軌道衡等場(chǎng)合。 對(duì) ～ 30t量程范圍的拉式傳感器和 ～ 10t范圍的壓式傳感器，柱環(huán)式傳感器是一種很好的結(jié)構(gòu)形式。 柱環(huán)結(jié)構(gòu)本身不具備抗偏、抗彎、抗扭能力，所以國內(nèi)早期的柱環(huán)式僅用于拉式傳感器。近年 來，由于雙層膜片焊接密封工藝的成熟和單層膜片熱套工藝的普及，柱環(huán)彈性體已開始應(yīng)用于壓式傳感器。其精度等級(jí)在 ～ 之間，廣泛應(yīng)用于料斗秤、鋼材秤，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、抗沖擊能力優(yōu)于雙連孔傳感器。 剪切梁式傳感器主要有剪切懸臂梁和剪切梁式兩種。它們的工作原理相同均是利用剪切原理。以工字截面剪切梁為敏感部位的剪切式傳感器和剪切橋式傳感器是目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的一種形式。該種傳感器具有很高的精度和穩(wěn)定性，有很強(qiáng)的抗側(cè)向能力，它不需要線性補(bǔ)償，就能達(dá)到 ～ 級(jí)轉(zhuǎn)換精度。其中剪切 懸臂梁式傳感器國外常用的量程范圍為 1t～ 50t，國內(nèi)大多為 1t～ 10t。剪切橋式傳感器國內(nèi)常用量程為 1t～ 100t。 由于兩端固支條件、腹板上應(yīng)力分布均優(yōu)于輪輻式，所以近年來已取代輪輻式傳感器，大量用于電子鋼等火器、電子汽車秤、電子鋼材秤、容器秤、吊車秤等電子衡器與各種電子測(cè)力系統(tǒng)中。 S梁式傳感器 量程范圍在 ～ 10kg 的稱重傳感器大多采用這種結(jié)構(gòu)。 利用鋁合金彈性模量小的特點(diǎn)，近年來已能把雙孔彈性體的稱量下限延伸到 2kg，所以， ～ 2kg 量程范圍內(nèi)的稱量與測(cè)力，就惟有選擇單 S 梁結(jié)構(gòu) 。這種傳感器一般應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，例如手提式商用秤及其它小力值測(cè)試。主要工藝上做到精細(xì)，靜態(tài)測(cè)量精度可達(dá) ～ 級(jí)，它的缺點(diǎn)是自身剛度小，自振頻率低，不適用于振動(dòng)、沖擊環(huán)境。 形雙連孔式傳感器 國內(nèi)外 2kg～ 500kg 量程范圍內(nèi)的稱重傳感器，不論拉式還是壓式結(jié)構(gòu)，均采用雙連孔彈性體作為轉(zhuǎn)換元件。不加線性補(bǔ)償，精度可達(dá) ～ 級(jí)。并且有優(yōu)越的抗偏、抗側(cè)能力，廣泛應(yīng)用于料斗秤和皮帶秤。由于可通過對(duì)四個(gè)敏感部位銼磨的方法進(jìn)行四角誤差的修正，所以市場(chǎng)上應(yīng)用的大量計(jì)價(jià)秤，幾乎無一例外地采用了 這種結(jié)構(gòu)形式的彈性體。 綜合各方面性能及要求，本項(xiàng)目選用 S形雙連孔式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 S形雙連孔式傳感器彈性元件 應(yīng)變式傳感器 稱重傳感器按變換原理分類，主要有電阻應(yīng)變式、差動(dòng)變壓器式、電容式、壓磁式、壓電式和振頻式等多種。 根據(jù)國際計(jì)量聯(lián)合會(huì)的會(huì)議記錄，應(yīng)變式稱重傳感器占總稱重傳感器的 90%以上。在自動(dòng)稱量及電子衡器方面，國外有 80%使用電阻應(yīng)變式稱重傳感器，國內(nèi)的使用量約占 90%～ 95%以上。原因是電阻應(yīng) 變式稱重傳感器，無論是敏感元件 —— 電阻應(yīng)變計(jì)，還是傳感器彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、彈性體材料加工處理、線路補(bǔ)償以及檢測(cè)儀表等方面，技術(shù)都比較成熟，測(cè)量精度比較高，穩(wěn)定性也比較好，并且更有利于產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)。中國是家用電子秤稱重傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)中心，目前家用電子秤（人體秤、健康秤、脂肪秤、廚房秤、營養(yǎng)秤、口袋秤和手提秤等）的稱重傳感器主要是應(yīng)變式稱重傳感器。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器具有直線性和重復(fù)性好、滯后?。ňC合精度高）、工作可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、疲勞效應(yīng)好、適于動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可用作多種量程 的稱重傳感器。因此，是目前在電子稱重裝置中應(yīng)用最廣的一種傳感器。 應(yīng)變片式傳感器的工作原理，是利用粘接劑將電阻應(yīng)變片粘貼在金屬彈性元件上，當(dāng)彈性元件受力產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片將該形變轉(zhuǎn)換為阻值的變化，從而測(cè)得被測(cè)力的大小。電阻應(yīng)變式稱重傳感器較其它型的傳感器要好，它主要有如下優(yōu)點(diǎn) ??5 ： 1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積下，可制成多種量程的稱重傳感器； 2. 直線性和重復(fù)性好，滯后小，目前綜合精度可達(dá) ～ %； 3. 工作可靠，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好； 4. 可以作成拉、壓兩用，而且受拉和受壓的輸出 特性對(duì)稱性好； 5. 有互換性，使用方便，容易與電子測(cè)量?jī)x表匹配； 6. 壽命長(zhǎng)，維修使用簡(jiǎn)單； 7. 頻率響應(yīng)好，能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。 彈性元件 電阻應(yīng)變片傳感器從工作原理來說，凡是能夠傳遞應(yīng)變的彈性材料，都可作為傳感器的敏感元件，但考慮其工作環(huán)境、安裝部位的空間大小、受力形式、量程范圍、必要的靈敏度、精度要求、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)尺寸等因素，一般多采用環(huán)式、膜式或梁式等形式。在測(cè)量較大的力時(shí)，常用柱式結(jié)構(gòu)。在要求的特殊情況下 則可以采用組合型的結(jié)構(gòu)，以提高其靈敏度、精度及使用穩(wěn)定性。 性元件材料的選擇 一個(gè)良好的傳感器彈性元件的材料應(yīng)具備以下要求： ① 應(yīng)該具有高的強(qiáng)度，以便在高載下，保證有足夠的安全性能； ② 高的彈性極限； ③ 經(jīng)過最終熱處理后，殘余應(yīng)力小，并具有均勻而穩(wěn)定的組織，而且是各向同性的； ④ 具有良好的抗疲勞性能； ⑤ 彈性滯后盡量??； ⑥ 具有較小的熱膨脹系數(shù)，小而恒定的彈性模量和溫度系數(shù)，使其溫漂最?。? ⑦ 良好的機(jī)械加工及熱處理性能； ⑧ 在不采取密封保護(hù)和在腐蝕氣氛下使用時(shí)，應(yīng)具有抗腐蝕能力。 彈性元件尺寸的選擇必須符合以下三個(gè)方面 的要求： ① 彈性元件在粘貼電阻應(yīng)變片的截面上其變形是單一的、均勻的、電阻應(yīng)變片反映的應(yīng)變信號(hào)與所測(cè)參數(shù)之間應(yīng)成線性關(guān)系。 對(duì)于懸臂梁、兩端固支梁、圓環(huán)和框形等彈性元件，為了使彈性元件在受力變形下具有均勻特性，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸選擇中常用到 L/H 比值。 L 為懸臂梁有效長(zhǎng)度， H 為截面高度。通常 L≥ 70h。 ② 彈性元件受力變形后具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。（對(duì)于圓柱形的彈性元件，在高度 L取得過大、壓縮力達(dá)到一臨界值時(shí)，加一極小的橫向載荷就可以產(chǎn)生很大的橫向撓度，從而使彈性元件失去彈性穩(wěn)定性。因此，減低高度和 作成空心圓柱體是提高穩(wěn)定性的方法） ③ 彈性元件應(yīng)該具有較高抗側(cè)向力的能力。提高彈性元件抗側(cè)向力的能力可以有下面幾項(xiàng)措施： ，不僅穩(wěn)定性好，而且提高了抗側(cè)向力的能力； 。由于膜片軸向剛度不大，因此對(duì)傳感器的靈敏度影響甚小，而膜片的橫向剛度卻很大。 ，具有較好的抗側(cè)向力的能力。 應(yīng)變膠 傳感器的精度受彈性元件、應(yīng)變片、應(yīng)變膠以及與之配套的二次儀表的影響，應(yīng)變 膠是制造高精度傳感器的關(guān)鍵之一。 實(shí)踐證明 ，粘結(jié)強(qiáng)度高的膠，并不都能應(yīng)用于應(yīng)變片的粘貼，特別是對(duì)于高精度的傳感器，對(duì)應(yīng)變膠有著更多的要求： ①有一定的粘結(jié)強(qiáng)度； ②能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變； ③蠕變要??； ④機(jī)械滯后?。? ⑤耐疲勞性能好； ⑥長(zhǎng)期穩(wěn)定性好； ⑦具有足夠的電磁絕緣性； ⑧對(duì)彈性元件及應(yīng)變片不產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用； ⑨具有適當(dāng)?shù)馁A存期。 應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片分金屬絲式，金屬箔式和金屬薄膜式 ??6 。 1. 金屬絲式應(yīng)變片 金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式應(yīng)變片制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低， 易粘貼，但因彎曲部的變形使其橫向效應(yīng)較大。 為了克服橫向效應(yīng)，采用短接式應(yīng)變片。短接式應(yīng)變片由于焊點(diǎn)多，易在焊點(diǎn)處出現(xiàn)疲勞損壞，制造工藝要求高，使用較少。 金屬箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為 ～ 電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。 它的優(yōu)點(diǎn)是：可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。橫向效應(yīng)可以忽略。蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。它的主要缺點(diǎn) 是電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐姆，故需要作阻值調(diào)整。 箔式電阻應(yīng)變片的工作原理基本上和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻技術(shù)、腐蝕等工序制成的一種很薄的金屬箔柵，故稱為箔式電阻應(yīng)變片。金屬箔的厚度一般在 ～ 之間，它的基片和覆蓋片多為膠質(zhì)膜 基片，其厚度多在 ～ 之間。 箔式應(yīng)變片和電阻絲應(yīng)變片相比較，具有如下特點(diǎn)： 1）金屬箔柵很薄。當(dāng)箔材和絲材具有同樣的截面積時(shí)，箔材與粘接層的接觸面積要比絲材大，使它能很好地和彈性體共同工作。其次，箔材 的端部較寬，橫向效應(yīng)相應(yīng)地較小，因而提高了應(yīng)變測(cè)量精度。 2）箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，可以輸出較強(qiáng)的電信號(hào)，從而提高測(cè)量靈敏度。 3）箔材的尺寸準(zhǔn)確、均勻且能制成任意的形狀。特別是為制造應(yīng)變花和小標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片提供了可能，從而擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍。 4） 便于成批生產(chǎn)。 箔式應(yīng)變片的缺點(diǎn)是生產(chǎn)工序比較復(fù)雜，引出線的焊點(diǎn)采用錫焊不適用于高溫環(huán)境下測(cè)量，另外價(jià)格較絲式為貴。 3. 金屬薄膜應(yīng)變片 金屬薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成 厚度在 m 以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，最后再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，可在 197～317℃溫度下工作。主要問題是，尚難控制其電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系。 本項(xiàng)目選用金屬箔式應(yīng)變片，其粘貼位置如圖 。 本項(xiàng)目要求稱量范圍為 0～ 15kg， 重量誤差不大于 177。 ，考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重 ( 15kg)。在稱量?jī)x表允許的條件下，一般傳感器選擇量程為實(shí)際最大受載的 2～ 倍 ， 所以 我們選擇的傳感器量程 為 30kg ，精度為 %，滿量程時(shí)誤差 ?？梢詽M足本系統(tǒng)的精度要求。 通過綜合分析，本項(xiàng)目最終確定采用金屬箔應(yīng)變式稱重傳感器，并且其彈性元件為 S 形雙連孔結(jié)構(gòu)， 其原理如 圖 所示。 應(yīng)變式稱重傳感器的各種補(bǔ)償 電阻應(yīng)變式稱重傳感器在將各應(yīng)變片引線連接成 橋路之后，雖然在輸入端加上供橋電壓，輸出端就可得到反應(yīng)重量大小的輸出信號(hào)，但是由于傳感器受到種種因素的影響