应变式测力与称重传感器

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1、应变式测力与称重传感器摘要：当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息社会的重要技术基础，应变式力传感器用作静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。关键词：应变式测力传感器；应变式称重传感器；电阻应变片；电桥；线性度一、应变式测力与称重传感器原理：应变式测力与称重传感器的工作原理是以应变效应为基础的。它由弹性体、电阻应变片及若干元器件组成。将四片（或8片）电阻

2、应变片粘贴在弹性体上,当有负荷作用时,弹性体在贴片处即产生拉、压成双的弯曲应力（或剪应力）,从而使应变片发生阻值变化,利用惠斯顿电桥电路就可输出电信号（见图1），传感器的工作原理框图如图2所示。(一)信号处理电路1.转换电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。2.直流电桥（1）直流电桥的工作原理四臂电桥如上图所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定

3、值，假定电源为电压源，内阻为零，则流过负载电阻的电流为=0时电桥平衡，则平衡条件为：若将应变片接入电桥一臂，应变片的阻值变化量可以用检流计转换为电流的大小表示（称偏转法），也可以用改变相邻桥臂阻值的方法，使恢复到零（称零读法）然后根据相邻桥臂阻值的变化来确定应变片的阻值变化。（2）不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥输出电阻大很多，可以把电桥输出端看成开路，电桥的输出式为：应变片工作时，其电阻变化ΔR，此时有不平衡电压输出。设桥臂比,由于电桥初始平衡

4、时有，略去分母中的，可得：电桥灵敏度定义为，可得单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为显然，与电桥电源电压成正比，电源电压的提高，受应变片允许功耗的限制。与桥臂比有关。当电桥电源电压一定时，应取何值时，电桥灵敏度最高。取时，为最大，得，所以时，即，时为最大。当时，：上述表达式表明，当电源电压及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻值的大小无关。时的电桥，称对称电桥，常采用这种电桥的形式。直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，在测量

5、中常用直流电桥。（3）电桥的非线性误差因为：非线性误差为：对于对称电桥，时：　　将按幂级数展开代入，再略去高阶量，可得：可见非线性误差与成正比。对金属电阻丝应变片，因为非常小，电桥非线性误差可以忽略，对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多，受应变时很大，非线性误差将不可忽略。（4）减小非线性误差常采用的措施采用差动电桥，在试件上安装两个工作应变片，一片受拉，一片受压，然后接入电桥相邻臂。电桥输出电压为：设初始时为，，则上式可简化为：可见，这时输出电压与成一定的线性关系，而且电桥灵敏度比单臂时提

6、高一倍，此外还具有温度补偿作用。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置多个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，与上同理，可得输出电压为：（1）温度误差：用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称应变片的温度误差，又称热输出。敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为：试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片

7、将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化：式中：—应变片灵敏系数；—试件膨胀系数；—应变片敏感栅材料的膨胀系数　因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为：相应的热输出为：（2）温度补偿：通常补偿温度误差的方法有应变片线路补偿法，而常用的最好的补偿方法是电桥补偿法。如上图所示，工作应变片安装在被测试件上，另选一个其特性与R1相同的补偿片，安装在材料与试件相同的某补偿件上，温度与试件相同，但不承受应变。与接入电桥相邻臂上，造成与相同，根据电桥理论可知，其输出电压与温度变化无关。当工作应变片感受应变

8、时，电桥将产生相应输出电压。在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不需补偿元件并兼得灵敏度的提高。如下图测量梁的弯曲应变时，将两个应变片分贴于上下两面对称位置，与特性相同，所以二电阻变化值相同而符号相反。但与接入电桥，因而电桥输出电压比单片时增加1倍。当梁上下面温度一致，与可起温度补偿作用。电桥补偿法简易可行，使用普通应变片可对各种试件材料在较大温度范围内进行补偿，因而最为常用。此方法的缺点是不能补偿因温度变化引起的电桥不平衡。（二）传感器原理实例举几个简单的例子来说明传感器的原