稱重傳感器理論知識

第一節(jié)   傳感器知識簡介

一、什么是傳感器？

傳感器是將被測的某一物理量（或信號）按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為與其對應(yīng)的另一種（或同種）物理量（或信號）輸出的裝置。

被測物理量       傳感器        輸出物理量

被測物理量

一般為非電物理量，如力、壓力、重量、力矩、位移、速度、溫度、角度、高度  

輸出物理量

一般為易于精確處理的電量或電參量，如電流、電壓、電阻、電感、頻率。。。

二、傳感器的分類

三、傳感器發(fā)展方向

高精度、高靈敏度；

高可靠性、寬溫度范圍、抗干擾強(qiáng)；

微型化（小尺寸、重量輕）和高強(qiáng)度；

微功耗及無源化；

智能化、數(shù)字化、高響應(yīng)速率；

互換性好，成本低，安全無污染方向；

抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、水、空氣)能力強(qiáng)方向

8、仿生傳感器：將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：

1、光敏——視覺；       2、聲敏——聽覺；

3、氣敏——嗅覺；       4、化學(xué)——味覺；

5、壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

第二節(jié)   稱重傳感器工作原理

一、稱重傳感器的基本知識

1、定義：GB/T7551-2008《稱重傳感器》

  考慮到使用地點(diǎn)的重力加速度（g）和空氣浮力（f）的影響后，通過把其中一種被測量（質(zhì)量）轉(zhuǎn)換成另外一種被測量（輸出）來測量質(zhì)量的力傳感器。

被測量（質(zhì)量）       稱重傳感器       輸出

2、組成

敏感元件+傳感元件+測量電路

其中：敏感元件——彈性體；

傳感元件——電阻應(yīng)變計(jì)；

測量電路——惠斯通電橋

二、電阻應(yīng)變計(jì)工作原理

以金屬材料為轉(zhuǎn)換元件的電阻應(yīng)變計(jì)，其轉(zhuǎn)換原理是基于金屬電阻絲的電阻——應(yīng)變效應(yīng)。

所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體（電阻絲）的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。如下圖所示：

1、受力前（F=0）電阻值

R=ρ。L/S                          （1）

式中R——金屬絲的電阻（Ω）；

ρ——金屬絲的電阻率（Ω*M）；

L——金屬絲的長度（m）；

S——金屬絲的橫截面積（m2）（πD2/4）

D——金屬絲的直徑（m）

2、受力后（F＞0）電阻變化值

⊿R=R*Kε                         （2）

式中⊿R——電阻變化量；

R——原始電阻值；

K——應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)；

ε——軸向應(yīng)變

結(jié)論：金屬絲拉伸，電阻值增加；

     金屬絲壓縮，電阻值減小

3、幾種常見的電阻應(yīng)變計(jì)外形

5、我公司常用應(yīng)變計(jì)的阻值（Ω） 350；700；1000 

 三、稱重傳感器的工作原理 

 1、兩個典型的力學(xué)模型

當(dāng)F＞0時，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被壓縮，阻值減小。

2、惠斯頓電橋

在應(yīng)變計(jì)的電測技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的測量電路是惠斯頓電橋電路。測量電橋由于具有靈敏度高、測量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此能很好地滿足應(yīng)變測量的要求。

電橋根據(jù)電源的性質(zhì)分直流電橋和交流電橋兩種，當(dāng)Ui為直流時該電橋?yàn)橹绷麟姌?。電橋電路如上圖所示，它的四個橋臂由R₁、R₂、R₃、R₄組成。

當(dāng)R₁=R₂=R₃=R₄時，稱為等臂電橋；

當(dāng)（R₁=R₂）≠（R₃=R₄）時，稱為對輸出對稱電橋；（也稱臥式橋）

當(dāng)（R₁=R₄）≠（R₂=R₃）時，稱為對電源對稱電橋（也稱立式橋）

1）、直流電橋的電壓輸出

根據(jù)分壓原理，從D-A-C半橋來看，從D經(jīng)A到C的電壓降為Ui，通過R1、R2的電流

I₁=U_i/（R1+R2）                         （1）

R2上的電壓降為I₁R2，代入（1）得

U_AC=U_i*R2/（R1+R2）                    （2）

同樣，D-B-C半橋的電壓降也是Ui，R3上的電壓降為：

U_BC=U_i*R3/（R3+R4）                    （3）

則輸出電壓U_O是U_BC與U_AC之間的差，即

由（4）可知，當(dāng)橋臂電阻滿足如下條件時，即

R₁R₃=R₂R₄                       （5）

電橋的輸出電壓UO=0，電橋處于平衡狀態(tài)。

為了保證測量的準(zhǔn)確性，在實(shí)測之前應(yīng)使電橋平衡（置零），這樣輸出電壓只與應(yīng)變計(jì)感受應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。

2）、按上述力學(xué)模型解釋：

當(dāng)F=0時，R₁R₃=R₂R₄；U₀=0；

當(dāng)F＞0時，R₁、R₃增加，R₂、R₄減小，U₀＞0。

若欲得到與上述電信號相反的結(jié)果時，只需將A與C（或B與D）之間的電源正、負(fù)極互換即可。

3）、當(dāng)橋臂電阻的阻值發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著發(fā)生變化，當(dāng)⊿R<<R時，其輸出電壓與電阻變化率⊿R/R（或應(yīng)變ε）成線性關(guān)系。