項(xiàng)目一電子秤的力測(cè)量系統(tǒng)

1、項(xiàng)目一 調(diào)光燈電路的連接與調(diào)試【學(xué)習(xí)目標(biāo)】：完成本課題的學(xué)習(xí)后，能夠：1、了解利用電阻應(yīng)變式傳感器進(jìn)行力測(cè)量的原理及用途；2、能夠工程舉例；3、能夠設(shè)計(jì)制作實(shí)際電路；4、能夠探索傳感器新的應(yīng)用領(lǐng)域；5、掌握電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路；6、掌握本項(xiàng)目需要的原件的工作原理和應(yīng)用；7、掌握金屬應(yīng)變傳感器的工作原理 ；8、掌握電阻應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)與特性；9、掌握電阻應(yīng)變傳感器的電路測(cè)試9、掌握電子秤的設(shè)計(jì)原理和電路圖；10、了解電子秤的元件選取原則和電路調(diào)試?！卷?xiàng)目描述】：電子秤采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子稱(chēng)量裝置，滿(mǎn)足并解決現(xiàn)實(shí)生活中提出的“快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)”稱(chēng)量要求，同時(shí)有

2、效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用要求，該項(xiàng)目我們采用一體化教學(xué)方法進(jìn)行， 【相關(guān)知識(shí)點(diǎn)】：一、金屬電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用金屬電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。1.工作原理1 電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將相應(yīng)地發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)用靈敏系數(shù)K描述 （1-1）式中，e=Dl/l軸向應(yīng)變?？紤]一段金屬導(dǎo)體（l,s），如圖1-1所示 圖1-1 金屬電阻應(yīng)變效應(yīng) 未受力時(shí)，原始電阻為 (1-2)當(dāng)受拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)L，橫截面積相應(yīng)減小S，電阻率則因晶格變形等因

3、素的影響而改變，故引起電阻變化R。將式（1-2）全微分，并利用相對(duì)變化量表示，則有 （1-3）式中，l/l=，為金屬導(dǎo)體電阻絲的軸向應(yīng)變，常用單位（=1×10-6 mm/mm） ，由于S=d 2 /4,則S/S=2d/d, 其中d/d為橫向（縱向）應(yīng)變；且由材料力學(xué)知，d/d= -，式中m為金屬材料的泊松比。將前面關(guān)系代入式（1-3）得 (1-4)其應(yīng)變靈敏度為 (1-5)對(duì)于金屬材料，/較小，可以略去。一般情況下，在應(yīng)變極限內(nèi)，金屬材料電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比R/R=K (1-6)2.應(yīng)變片測(cè)試原理使用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，將應(yīng)變片牢固地粘貼在彈性試件上，當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變

4、片電阻變化R。如果應(yīng)用測(cè)量電路和儀器測(cè)出R，根據(jù)式（1-6），可得彈性試件的應(yīng)變值，而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：= E， （1-7）可以得到被測(cè)應(yīng)力值。其中E試件材料彈性模量， 試件的應(yīng)力， 試件的應(yīng)變。力 應(yīng)力 應(yīng)變(=/E) R通過(guò)彈性敏感元件的作用，可以將應(yīng)變片測(cè)應(yīng)變的應(yīng)用擴(kuò)展到能引起彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變的各種非電量的測(cè)量，從而構(gòu)成各種電阻應(yīng)變式傳感器。3.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)，材料和類(lèi)型金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示，由敏感柵、基底、蓋片、引線和粘結(jié)劑組成。圖1-2 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-基底;1-敏感柵;3-覆蓋層;4-引線1、敏感柵1）絲式應(yīng)變片,f=0.0120.05mm金屬細(xì)絲繞成細(xì)狀,柵

5、長(zhǎng)=0.2,0.5,1.0,100,200mm等。2）箔式應(yīng)變片,由厚度為0.0030.01mm的金屬箔片制成各種圖形的敏感柵,亦稱(chēng)應(yīng)變花,如圖1-3所示。其優(yōu)點(diǎn)(1)制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻和適應(yīng)各種不同測(cè)量要求的形狀，其柵長(zhǎng)可做到0.2mm；(2)敏感柵薄而寬，與被測(cè)試件粘貼面積大，黏結(jié)牢靠，傳遞試件應(yīng)變性能好； (3)散熱條件好，允許通過(guò)較大的工作電流，從而提高了輸出靈敏度； (4)橫向效應(yīng)??； (5)蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。 圖1-3 箔式電阻應(yīng)變片3) 金屬薄膜應(yīng)變片，利用真空鍍膜等方式在絕緣基底上制成各種形狀的薄膜敏感柵,膜厚小于1m。這種應(yīng)變片具有比箔式應(yīng)變片

6、更多的優(yōu)點(diǎn)。4) 敏感柵材料的性能要求：（1）應(yīng)變靈敏系數(shù)較大，且在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；（2）電阻率高而穩(wěn)定，便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；（3）電阻溫度系數(shù)較小，電阻溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好；（4）機(jī)械強(qiáng)度高，輾壓及焊接性能好，與其他金屬之間的接觸電勢(shì)小；（5）抗氧化、耐腐蝕性能強(qiáng)，無(wú)明顯機(jī)械滯后。2、基底和蓋片 基底和蓋片的作用是保持敏感柵和引線的幾何形狀和相對(duì)位置，并且有絕緣作用。一般為厚度0.020.05mm的環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等膠基材料。對(duì)基底和蓋片材料的性能要求：機(jī)械強(qiáng)度好，撓性好；粘貼性能好；電絕緣性好；熱穩(wěn)定性和搞溫性好；無(wú)滯后和蠕變。3、引線 作用：連接敏感柵和外接導(dǎo)線。 一

7、般采用f=0.050.1mm的銀銅線、鉻鎳線、卡馬線、鐵鉛絲等,與敏感柵點(diǎn)焊焊接。4、粘結(jié)劑 作用:將敏感柵固定于基片上,并將蓋片與基底粘結(jié)在一起；使用時(shí),用粘結(jié)劑將應(yīng)變片粘貼在試件的某一方向和位置，以便感受試件的應(yīng)變。 粘結(jié)劑材料:有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類(lèi)。 粘貼工藝:應(yīng)變片靜放于試件上,粘貼牢固可靠。4. 金屬電阻應(yīng)變片的主要特性1、應(yīng)變片的電阻值(R0)應(yīng)變片不受外力作用情況下,于室溫條件測(cè)定的電阻值(原始電阻值),已標(biāo)準(zhǔn)化.主要有60,120,350,600,1000等各種規(guī)格。2、絕緣電阻敏感柵與基底之間電阻值,一般應(yīng)大于1010 。3、靈敏系數(shù)(K)電阻應(yīng)變片的電阻 應(yīng)變特性與金屬絲時(shí)不同

8、，須用實(shí)驗(yàn)法對(duì)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K重新測(cè)定。測(cè)定時(shí)將應(yīng)變片安裝于試件（泊松比m=0.285的鋼材）表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，且保證應(yīng)變片軸向與主應(yīng)力軸向一致的條件下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比，即K=(R/R)(l/l)，而且一批產(chǎn)品只能進(jìn)行抽樣（5%）測(cè)定，取平均K值及允許公差值為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，有時(shí)稱(chēng)“標(biāo)稱(chēng)靈敏系數(shù)”。4、允許電流指不因電流產(chǎn)生的熱量影響測(cè)量精度，應(yīng)變片允許通過(guò)的最大電流。 靜態(tài)測(cè)量時(shí)，允許電流一般為25 mA ； 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，允許電流可達(dá)75100 mA 。5、橫向效應(yīng)與橫向靈敏系數(shù) 將金屬絲繞成敏感柵構(gòu)成應(yīng)變片后，在軸向單

9、向應(yīng)力作用下，由于敏感柵“橫柵段”（圓弧或直線）上的應(yīng)變狀態(tài)不同于敏感柵“直線段”上的應(yīng)變，使應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較相同長(zhǎng)度直線金屬絲在單向應(yīng)力作用下的電阻變化小，因此，靈敏系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。如圖1-4所示。圖1-4 橫向效應(yīng) (1-11)應(yīng)當(dāng)指出，制造廠商在標(biāo)定應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K時(shí)，是按規(guī)定的特定應(yīng)變場(chǎng)（單向應(yīng)力場(chǎng)，=0.285）下進(jìn)行的，標(biāo)定出的K值實(shí)際上也將橫向效應(yīng)的影響包括在內(nèi)，只要應(yīng)變片在實(shí)際使用時(shí)，符合特定條件（如平面應(yīng)力狀態(tài)，或試件的0.285），則會(huì)引起一定的橫向效應(yīng)誤差，需進(jìn)行修正。6、機(jī)械滯后 應(yīng)變片粘貼在試件上，應(yīng)變片的指示應(yīng)變i 與試件的機(jī)械

10、應(yīng)變m 之間應(yīng)當(dāng)是一確定的關(guān)系。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在加載和卸載過(guò)程中，對(duì)于同一機(jī)械應(yīng)變j ，應(yīng)變片卸載時(shí)的指示應(yīng)變高于加載時(shí)的指示應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的機(jī)械滯后，如圖1-5所示；其最大差值m 稱(chēng)為應(yīng)變片的機(jī)械滯后值。 圖1-5 應(yīng)變片的機(jī)械滯后 圖1-6 應(yīng)變極限7應(yīng)變極限 對(duì)于已粘貼好的應(yīng)變片，其應(yīng)變極限是指在一定溫度下，指示應(yīng)變m 與受力試件的真實(shí)應(yīng)變i 的相對(duì)誤差達(dá)到規(guī)定值（一般為10%）時(shí)的真實(shí)應(yīng)變j ，如圖1-6所示。 8、零漂和蠕變粘貼在試件上的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在試件不受力（即無(wú)機(jī)械應(yīng)變）的情況下，其電阻值（即指定應(yīng)變）隨時(shí)間變化的特性稱(chēng)為應(yīng)變片的零漂；如果應(yīng)變片承受恒定機(jī)

11、械應(yīng)變（1000內(nèi)）長(zhǎng)時(shí)間作用，其指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性稱(chēng)為應(yīng)變片的蠕變。9、動(dòng)態(tài)特性 應(yīng)變測(cè)試中，應(yīng)變片的指示應(yīng)變是敏感柵覆蓋面積下的軸向平均應(yīng)變。 靜態(tài)測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片能正確反映它所處受力試件內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變； 動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式沿應(yīng)變的敏感柵的長(zhǎng)度方向傳播，因而應(yīng)變片反映的平均應(yīng)變與瞬時(shí)應(yīng)變有一定差異，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。5.溫度誤差及其補(bǔ)償1、溫度誤差作為測(cè)量用的應(yīng)變片，希望它的電阻只隨應(yīng)變而變，而不受其他因素的影響。實(shí)際上，應(yīng)變片的電阻受環(huán)境溫度（包括試件的溫度）的影響很大。因環(huán)境溫度改變引起電阻變化的主要因素有兩方面：一方面是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)；另一方面是電阻絲材料與試件材

12、料的線膨脹系數(shù)不同。 2、溫度補(bǔ)償1）雙金屬敏感柵應(yīng)變片（組合式自動(dòng)補(bǔ)償應(yīng)變片）圖1-7 雙金屬線補(bǔ)償法兩段敏感柵Ra 和Rb電阻溫度系數(shù)相反，串聯(lián)連接，可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。通過(guò)調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長(zhǎng)度比以便在一定受力試件材料上于一定溫度范圍內(nèi)獲得較好的溫度自補(bǔ)償。2）電路補(bǔ)償法（1）差動(dòng)電橋線路補(bǔ)償，如圖1-8所示。圖1-8 電路補(bǔ)償法（2）熱敏電阻電路補(bǔ)償，如圖1-9所示。 圖1-9 熱敏電阻溫度補(bǔ)償法當(dāng)溫度升高應(yīng)變片的靈敏度下降時(shí)，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻R 電阻也下降，使電橋的輸入電壓升高，提高電橋的輸出阻抗電壓。選擇分流電阻R，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對(duì)電橋輸出影響得到很好的補(bǔ)償。3、 測(cè)量電路電阻

13、應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路常采用電橋電路。圖1-10 直流電橋1）直流電橋的主要特性當(dāng)RL 時(shí)，電橋輸出阻抗電壓當(dāng)電橋各橋臂均有相應(yīng)電阻變化R1，R 2，R 3，R 4 時(shí) （當(dāng) R=R1 = R2= R3= R4） （當(dāng)R i <<R）討論：（1）當(dāng)R>>DRi時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。 （2）若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和。 （3）若相對(duì)兩橋臂的應(yīng)變極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和；反之，輸出電壓為兩者之差。 合理地利用上述特性來(lái)粘貼應(yīng)變片，可以提高傳感器的測(cè)量靈敏度和獲

14、得溫度補(bǔ)償?shù)取?）單臂工作電橋的非線性及差動(dòng)電橋（1）單臂工作電橋，設(shè)R1 =R，R2 =R3 =R4 =0，則 （1-39）線性輸出 非線性誤差 （1-40）(2)差動(dòng)電橋 半橋差動(dòng)： R1 = -R2 =R , R3 =R4 =0 ，如圖1-14（a）所示， (1-41)全橋差動(dòng)：R1 = -R2 = -R3 =R4 =R，如圖1-14（b）所示， (1-42)圖1-11 差動(dòng)電橋電路差動(dòng)電橋不僅可以提高輸出電壓，而且還具有溫度補(bǔ)償作用，設(shè)溫度變化所引起的附加應(yīng)變?yōu)閑t或附加電阻變化Rt ，則半橋差動(dòng)時(shí) R1 =R +Rt ，R2 =R +Rt； 1 =+t ，2 =+t，則 或 3）應(yīng)變

15、片的串聯(lián)與并聯(lián)工作方式圖1-12 串聯(lián)式和并聯(lián)式半橋電路如圖1-12，橋臂由n個(gè)阻值為R的應(yīng)變片串聯(lián)（或并聯(lián)）而成，設(shè)各電阻應(yīng)變片電阻變化分別為R1¢, R2¢, R3¢ R n¢=R¢，則串聯(lián)工作： R1 =R2 =nR=¢ (1-43)并聯(lián)工作： R1 =R2 =R/n (1-44)電阻應(yīng)變片串聯(lián)和并聯(lián)都不會(huì)增加電橋輸出，但串聯(lián)工作時(shí)具有平均效應(yīng)，且可在應(yīng)變片極限電流條件下，提高供橋電壓，相應(yīng)提高電橋輸出；并聯(lián)時(shí)，在應(yīng)變片極限電流條件下相應(yīng)提高電橋輸出電流n倍。二、 電阻應(yīng)變式傳感器彈性敏感元件+電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變式傳感器1.電

16、阻應(yīng)變式力傳感器 1、柱（筒）式力傳感器 圖1-17為柱（筒）式力傳感器，彈性敏感元件為實(shí)心或空心的柱體（截面積為S，材料彈性模量為E），當(dāng)柱體軸向受拉（壓）力F作用時(shí)，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力s與應(yīng)變e成正比關(guān)系圖1-13 柱式力傳感器地磅稱(chēng)一般采用柱式力傳感器。2、懸臂梁式力傳感器如圖1-18所示，當(dāng)力F作用在彈性臂梁自由端時(shí)，懸臂梁產(chǎn)生變形，在梁的上、下表面對(duì)稱(chēng)位置上應(yīng)變大小相當(dāng)，極性相反，若分別粘貼應(yīng)變片R1 、R4 和R2 、R3 ，并接成差動(dòng)電橋，則電橋輸出電壓Uo與力F成正比。圖1-14 懸臂粱式力傳感器3、 其它特殊懸臂梁力傳感器（圖1-15）圖1-15 特殊粱式力傳感器（a）雙孔粱

17、；（b）單孔粱；（c）、（d）S型粱電子稱(chēng)一般采用懸臂梁式力傳感器。4、薄壁圓環(huán)式力傳感器（圖1-16）圖1-16 薄壁圓環(huán)式力傳感器示意圖 5、輪輻式力傳感器（圖1-17）圖1-17 輪輻式力傳感器示意圖6、軸剪切力傳感器（圖1-18）圖1-18 軸彈性元件式測(cè)力傳感器應(yīng)變片的粘貼方式和測(cè)量電橋的連接如圖1-18所示，當(dāng)彈性軸剪切力作用時(shí)，應(yīng)變片受拉力，受壓應(yīng)力這種力傳感器主要用于扭矩測(cè)量。2 電阻應(yīng)變式壓力傳感器1、筒式壓力傳感器（圖1-19）圖1-19 筒式壓力傳感器在筒徑向或筒的實(shí)心底部貼溫度補(bǔ)償應(yīng)變片。這種壓力傳感器一般用于管道，槍?zhuān)ㄅ冢┦芰y(cè)量。2、膜片式壓力傳感器（圖1-20）

18、圖1-20 膜片式壓力傳感器 圖1-21 圓箔式應(yīng)變片適當(dāng)粘貼應(yīng)變片，如圖1-20所示，使粘貼在 r > rc 區(qū)域的徑向應(yīng)變片R1 、 R4 感受的應(yīng)變與粘貼在r < rc內(nèi)的切向應(yīng)變片R2 、R3 感受的應(yīng)變相等，它們的極性相反，這樣便于接成差動(dòng)電橋。膜片式壓力傳感器的應(yīng)變片一般利用金屬箔作成如圖1-21所示應(yīng)變花的形式。3、組合式壓力傳感器（圖1-22） 圖1-22 組合式壓力傳感器3. 電阻應(yīng)變式加速度傳感器電阻應(yīng)變式加速度傳感器如圖1-23所示.。圖1-23 應(yīng)變式加速度傳感器1-質(zhì)量塊；1-應(yīng)變粱；3-硅油阻尼液；4-應(yīng)變片；5-溫度補(bǔ)償電阻；3-絕緣套管；7-接線柱；

19、8-電纜；9-壓線板；10-殼體；11-保護(hù)塊1）結(jié)構(gòu)：慣性質(zhì)量塊、彈性懸臂梁和電阻應(yīng)變片組成，如圖1-27（a）所示。2）原理：加速度a質(zhì)量塊慣性作用力ma懸臂梁變形電阻應(yīng)變片產(chǎn)生電阻變化R。4.電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用實(shí)例1、基本應(yīng)用平面膜片式壓力傳感器圖1-24所示為壓力應(yīng)變計(jì)原理電路。圖1-24 壓力應(yīng)變計(jì)2、手提式數(shù)字電子稱(chēng) 準(zhǔn)S型稱(chēng)重傳感器如圖1-25所示。圖1-25準(zhǔn)S型稱(chēng)重傳感器測(cè)量電路如圖1-26所示圖1-26 手提數(shù)字電子稱(chēng)測(cè)量電路（a） 小數(shù)點(diǎn)顯示電路；（b）手提數(shù)字電子稱(chēng)電路圖三、半導(dǎo)體應(yīng)變片及壓阻式傳感器1.半導(dǎo)體應(yīng)變片1、半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力

20、而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。對(duì)于長(zhǎng)l，截面積S，電阻率的條形半導(dǎo)體應(yīng)變片，在軸向力F作用下利用式（1-4）的結(jié)果 (1-45)應(yīng)變靈敏系數(shù) (1-46)式中，E 半導(dǎo)體應(yīng)變片材料的彈性模量；L 半導(dǎo)體晶體材料的縱向壓阻系數(shù)，與晶向有關(guān)。2、體形半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式如圖1-27所示。圖1-27 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形狀3、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路直流電阻電橋電路，但須采用溫度補(bǔ)償措施，如圖1-28所示圖1-28 溫度補(bǔ)償電路2. 壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在一定晶向的晶片上利用集成電路工藝技術(shù)擴(kuò)散制作應(yīng)變電阻和測(cè)量電路，稱(chēng)為擴(kuò)散硅壓阻式傳感器或固態(tài)壓阻式傳感器。1、 壓阻式壓力傳感器圖1-29 壓阻式壓力傳感器2、 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1-30所示。以硅懸臂梁作為敏感元件，在其根部上下表面擴(kuò)散制作四個(gè)應(yīng)變電阻，在其自由端裝慣性質(zhì)量m。當(dāng)殼體