【文章內容簡介】 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合，尤其在一個較長時間內無法進行調整檢測的電子衡器或測力系統(tǒng)就不但要求考慮線性、重復性、滯后 三項精度，而且還要考慮因溫度變化引起的誤差、蠕變誤差及長期穩(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秤臺或裝置的自重；③傳感器設置的數(shù)量；④正常操作下，最大可能產生的偏載；⑤稱量狀況下可能出 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 8 頁 現(xiàn)的動載和沖擊以及其他可能附加產生的干擾力。其中，④、⑤兩條對于不同的衡器、不同稱量對象、不同的進料方式是各不相同的。因此，對于不同類型的衡器，在同樣的稱量負荷下，傳感器量程的選擇是不同的。 綜合許多國外引進的電子衡器中的傳感器量程選擇和國內許多衡器廠的實踐經(jīng)驗，在稱量儀表 允許的條件下，一般傳感器選擇量程為實際最大受載的 2～ 倍。因為任何電子衡器均不可避免的存在著沖擊、振動和偏載，而有些可能產生的力量是難以準確估計的；再則，選擇傳感器量程時所選定的沖擊系數(shù)、重心偏移系數(shù)事實上也不是很確切的。所以，從電子衡器最根本的性能指標 —— 可靠性來考慮，選用盡可能大的量程無疑是有利的。 傳感器技術參數(shù)的選擇主要有以下幾個方面： （ 1）允許的不重復性誤差、非線性誤差、滯后誤差。上述技術參數(shù)應依據(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)由彈性體結構及設計時確定的應力水平所決定，因此，用戶應遵循生產廠提供的參數(shù)來選擇。 國內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全國性甚至國際上可互換的商品。 (3)橋路阻抗和激勵電壓。在原稱量系統(tǒng)已有激勵電源的使用場合，使用者必須考慮所選傳感器施加的橋壓。因為應變片允許通過的電流是有規(guī)定的（ 20～ 25mA）。用戶應根據(jù)已有的測量系統(tǒng)提供的橋壓選擇合適的應變片，以避免產生差錯。 （ 4）復零特性、溫漂特性、時漂特性、固有頻率等。對于一些精密稱量場合，在必要時用戶可對生產廠提出 一些更詳細的技術參數(shù)要求。 對傳感器來說，在彈性體完成貼片組橋補償后，就開始受到環(huán)境中潮氣的侵蝕。在現(xiàn)場工作時，若不加以可靠密封，就會受到工作環(huán)境中存在的潮氣、腐蝕性氣體和介質、水、灰塵的損害，所以工程上用傳感器必須具有防護外罩，采用密封措施。 對于在室內干凈、干燥環(huán)境下工作的傳感器，可以選擇涂膠密封的傳感器；而對于一些在潮濕環(huán)境下工作，甚至可能遭受水淹場合下工作的傳感器，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。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 9 頁 對于在嚴重腐蝕性環(huán)境下工作的傳感器，則必須選擇外表面 進行噴塑或不銹鋼外罩的傳感器。 稱重傳感器的基本結構 常規(guī)稱重傳感器的結構基本可劃分為下列幾種 ??4 ，它們各有其適應的稱量范圍和獨特的性能，這將為選型提供方便。 柱式傳感器是一種最古老的結構形式，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，常因周邊固支剛度不夠而引起較大的滯后誤差，所以目前在國內已大多被量程范 圍寬、結構更合理、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合，輪輻式傳感器仍在應用。 橋式傳感器實際上是一種雙梁式傳感器，國內統(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、各種平臺秤及靜態(tài)和動態(tài)電子軌道衡等場合。 對 ～ 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構形式。 柱環(huán)結構本身不具備抗偏、抗彎、抗扭能力，所以國內早期的柱環(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)彈性體已開始應用于壓式傳感器。其精度等級在 ～ 之間，廣泛應用于料斗秤、鋼材秤，其動態(tài)響應能力、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應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，有很強的抗側向能力，它不需要線性補償，就能達到 ～ 級轉換精度。其中剪切懸臂梁式傳感器國外常用的量程范圍為 1t～ 50t，國內大多為 1t～ 10t。剪切橋式傳感器國內常用量程為 1t～ 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 10 頁 100t。 由于兩端固支條件、腹板上應力分布均優(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構。 利用鋁合金彈性模量小的特點，近年來已能把雙孔彈性體的稱量下限延伸到 2kg，所以， ～ 2kg 量程范圍內的稱量與測力，就惟有選擇單 S 梁結構。這種傳感器一般應用于一些特殊場合，例如 手提式商用秤及其它小力值測試。主要工藝上做到精細，靜態(tài)測量精度可達 ～ 級，它的缺點是自身剛度小，自振頻率低，不適用于振動、沖擊環(huán)境。 形雙連孔式傳感器 國內外 2kg～ 500kg 量程范圍內的稱重傳感器，不論拉式還是壓式結構，均采用雙連孔彈性體作為轉換元件。不加線性補償，精度可達 ～ 級。并且有優(yōu)越的抗偏、抗側能力，廣泛應用于料斗秤和皮帶秤。由于可通過對四個敏感部位銼磨的方法進行四角誤差的修正，所以市場上應用的大量計價秤，幾乎無一例外地采用了這種結構形式的彈性體。 綜合各方面性能及 要求，本項目選用 S形雙連孔式傳感器，其結構如圖 所示。 圖 S形雙連孔式傳感器彈性元件 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 11 頁 應變式傳感器 稱重傳感器按變換原理分類，主要有電阻應變式、差動變壓器式、電容式、壓磁式、壓電式和振頻式等多種。 根據(jù)國際計量聯(lián)合會的會議記錄，應變式稱重傳感器占總稱重傳感器的 90%以上。在自動稱量及電子衡器方面，國外有 80%使用電阻應變式稱重傳感器，國內的使用量約占 90%～ 95%以上。原因是電阻應變式稱重傳感器，無論是敏感元件 —— 電阻應 變計，還是傳感器彈性體結構設計、彈性體材料加工處理、線路補償以及檢測儀表等方面，技術都比較成熟，測量精度比較高，穩(wěn)定性也比較好，并且更有利于產業(yè)化和規(guī)?；a。中國是家用電子秤稱重傳感器的研發(fā)和生產中心，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變式稱重傳感器。 電阻應變式稱重傳感器具有直線性和重復性好、滯后小（綜合精度高）、工作可靠、長期穩(wěn)定性好、疲勞效應好、適于動態(tài)測量等特點，而且結構簡單、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 中應用最廣的一種傳感器。 應變片式傳感器的工作原理，是利用粘接劑將電阻應變片粘貼在金屬彈性元件上，當彈性元件受力產生變形時，電阻應變片將該形變轉換為阻值的變化，從而測得被測力的大小。電阻應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 ??5 ： 1. 結構簡單，體積下，可制成多種量程的稱重傳感器； 2. 直線性和重復性好，滯后小，目前綜合精度可達 ～ %； 3. 工作可靠，長期穩(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稱性好； 5. 有互換性，使用方便，容易 與電子測量儀表匹配； 6. 壽命長，維修使用簡單； 7. 頻率響應好，能進行動態(tài)測量。 彈性元件 電阻應變片傳感器從工作原理來說，凡是能夠傳遞應變的彈性材料，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、應變片的結構尺寸等因素，一般多采用環(huán)式、膜式或梁式等形式。在測量較大的力時，常用柱式結構。在要求的特殊情況下 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 12 頁 則可以采用組合型的結構，以提高其靈敏度、精度及使用穩(wěn)定性。 一個良好的傳感器彈 性元件的材料應具備以下要求： ① 應該具有高的強度，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 彈性滯后盡量小； 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 良好的機械加工及熱處理性能； ⑧ 在不采取密封保護和在腐蝕氣氛下使用時，應具有抗腐蝕能力。 彈性元件尺寸的選擇必須符合以下三個方面的要求： ① 彈性元件在粘貼電阻應變片的 截面上其變形是單一的、均勻的、電阻應變片反映的應變信號與所測參數(shù)之間應成線性關系。 對于懸臂梁、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，在實際的結構尺寸選擇中常用到 L/H 比值。 L 為懸臂梁有效長度， 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性和穩(wěn)定性。（對于圓柱形的彈性元件，在高度 L取得過大、壓縮力達到一臨界值時，加一極小的橫向載荷就可以產生很大的橫向撓度，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 彈性元件應該具有較高抗側向力的能力。提高彈性元件抗側向力的能力可以有下面幾項措施： ，不僅穩(wěn)定性好，而且提高了抗側向力的能力； 。由于膜片軸向剛度不大，因此對傳感器的靈敏度影響甚小，而膜片的橫向剛度卻很大。 ，具有較好的抗側向力的能力。 應變膠 傳感器的精度受彈性元件、應變片、應變膠以及與之配套的二次儀表的影響，應變 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 13 頁 膠是制造高精度傳感器的關鍵之一。 實踐證明，粘結強度高的膠，并不都能應用于應變片的 粘貼，特別是對于高精度的傳感器，對應變膠有著更多的要求： ①有一定的粘結強度； ②能準確傳遞應變； ③蠕變要??； ④機械滯后??； ⑤耐疲勞性能好； ⑥長期穩(wěn)定性好； ⑦具有足夠的電磁絕緣性； ⑧對彈性元件及應變片不產生化學腐蝕作用； ⑨具有適當?shù)馁A存期。 應變片 電阻應變片分金屬絲式，金屬箔式和金屬薄膜式 ??6 。 1. 金屬絲式應變片 金屬絲式應變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式應變片制作簡單，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較大 。 為了克服橫向效應，采用短接式應變片。短接式應變片由于焊點多，易在焊點處出現(xiàn)疲勞損壞，制造工藝要求高，使用較少。 金屬箔式應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)點是：可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵，以適應不同的測量要求。與被測試件接觸面積大，粘結性能好。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。橫向效應可以忽略。蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。它的主要缺點是電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐姆， 故需要作阻值調整。 箔式電阻應變片的工作原理基本上和電阻絲式應變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻技術、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膜 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 14 頁 基片，其厚度多在 ～ 之間。 箔式應變片和電阻絲應變片相比較，具有如下特點： 1）金屬箔柵很薄。當箔材和絲材具有同樣的截面積時，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，橫向效應相應地較小，因而提高 了應變測量精度。 2）箔材表面積大，散熱條件好，故允許通過較大的電流，可以輸出較強的電信號，從而提高測量靈敏度。 3）箔材的尺寸準確、均勻且能制成任意的形狀。特別是為制造應變花和小標準應變片提供了可能，從而擴大了應變片的使用范圍。 4） 便于成批生產。 箔式應變片的缺點是生產工序比較復雜，引出線的焊點采用錫焊不適用于高溫環(huán)境下測量，另外價格較絲式為貴。 3. 金屬薄膜應變片 金屬薄膜應變片是薄膜技術發(fā)展的產物。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，最后再加上保護層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產。它的優(yōu)點是應變靈敏系數(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間的變化關系。 本項目