應(yīng)變片里面的材料隨著外界的應(yīng)變伸長或縮短，其阻值也就會相應(yīng)地變化。電阻應(yīng)變式傳感器中應(yīng)變電阻的變化極其微弱，僅為0.2%左 右，一般使用惠斯通電橋進(jìn)行測量。其作為稱重傳感器使用時(shí)，將根據(jù)不同的量程選用不同的彈性體。通過典型電子秤線路的介紹，進(jìn)一步分析了應(yīng) 變式傳感器在電子秤中的應(yīng)用。

1.引言

電子秤中的電阻應(yīng)變式傳感器又稱稱重傳感器，是一種能夠?qū)⒅?/span> 力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牧σ浑娹D(zhuǎn)換裝置，是電子衡器的一個(gè)關(guān)鍵部件。能 夠?qū)崿F(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換的傳感器有多種，但絕大多數(shù)衡器產(chǎn)品所用的還是 電阻應(yīng)變式稱重傳感器。電阻應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低 廉，精度較高，線性度好，且能夠在相對比較差的環(huán)境下使用。因此 電阻應(yīng)變式稱重傳感器在電子衡器中得到了廣泛的運(yùn)用。

2.電阻應(yīng)變式傳感器的原理

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下伸長或縮短時(shí)，它的電阻值會相 應(yīng)地發(fā)生變化，將應(yīng)變片貼在被測物體上，使其隨著被測物的應(yīng)變一 起伸縮，這樣應(yīng)變片里面的金屬材料就隨著外界的應(yīng)變伸長或縮短， 其阻值也就會相應(yīng)地變化。應(yīng)變片就是利用應(yīng)變效應(yīng)，通過測量電阻 的變化而對應(yīng)變進(jìn)行測量的。

2.1應(yīng)變

電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。在稱重 傳感器中大多數(shù)使用的是金屬電阻應(yīng)變片^

將電阻絲排成柵網(wǎng)狀，粘貼在厚度約為15?16um的絕緣基片上， 電阻絲兩端焊出引出線，最后用覆蓋層進(jìn)行保護(hù)，即成為應(yīng)變片。使 用時(shí)只要將應(yīng)變片貼于被測物體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。

一般金屬應(yīng)變片的電阻變化率為常數(shù)，應(yīng)變片的阻值與應(yīng)變成正 比例關(guān)系，即 AR/R=K e

其中R一一應(yīng)變片原電阻值(Q)；

AR—一伸長或壓縮引起的電阻變化值（Q);

K一一比例常數(shù)（應(yīng)變片常數(shù)）；

e一一應(yīng)變，單位長度內(nèi)的形變，應(yīng)變分為拉伸和壓縮兩種，可 用正負(fù)號加以區(qū)別：拉伸一正（+ )；壓縮一負(fù)（一）。

2.2測量電橋

電阻應(yīng)變式傳感器的使用方法主要有兩種。第一種是將應(yīng)變片直 接粘貼于被測構(gòu)件上，用來測量構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力；第二種是將應(yīng)變 片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成電阻應(yīng)變式傳感器。彈性 元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為成正比變化的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電 阻變化輸出。

電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變電阻的變化是極其微弱的，電阻相對變化 率僅為0. 2%左右。要精確地測量這么微小的電阻變化是非常困難的， 一般的電阻測量儀表無法滿足要求。通常釆用惠斯通電橋電路進(jìn)行測 量，將電阻相對變化AR—一R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，再用測量儀 表或電阻應(yīng)變式傳感器專用測量電路便可以簡單方便地進(jìn)行測量。

惠斯通電橋電路如圖1所示。Rl、R2、R3、R4為四個(gè)橋臂的電阻， 電橋的供電電壓為U，電橋輸出電壓為U。。在被測物體未施加作用力 時(shí)，應(yīng)變?yōu)榱悖瑧?yīng)變電阻沒有變化，四個(gè)橋臂的初始電阻滿足R1/ R2=R3/R4時(shí)，橋路輸出電壓U。為零，即橋路平衡。

如果電橋電壓U保持不變，電橋的輸出電壓U0可以用下式近似表

示：

U0^R1R2/(R1+R2)2*(AR1/R1-AR2/R2-AR3/R3+AR4/R4)U 如果四個(gè)橋臂的初始電阻滿足R1=R2=R3=R4，則上式可轉(zhuǎn)化為： UQ?U/4(AR1/R1 —AR2/R2—AR3/R3+AR4/R4)

艮P U0^U/4*K( e 1- e 2- e 3+ ￡ 4)

式中e 應(yīng)變；

K——比例常數(shù)（應(yīng)變片常數(shù)），不同的金屬材料有不同的比例常

數(shù)K。

3.稱重傳感器的構(gòu)成及主要技術(shù)指標(biāo)

3.1應(yīng)變式稱重傳感器的構(gòu)成

電阻應(yīng)變式稱重傳感器由彈性元件、應(yīng)變片和外殼所組成，電子 秤的稱重傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器，其彈性元件是應(yīng)變梁。彈 性元件是稱重傳感器的基礎(chǔ)，被測物的重量作用在彈性元件上，使其 在某一部位產(chǎn)生較大的應(yīng)變或位移；彈性元件上的應(yīng)變片作為傳感元 件，將彈性元件敏感的應(yīng)變量或位移完全地同步地轉(zhuǎn)換為電阻值的變 化量，然而再通過測量電橋轉(zhuǎn)換成電信號，以完成對重力的測量。 目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家已將電阻應(yīng)變片和彈性元件做成一體，集成 化。

3.2應(yīng)變片的阻值

電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引 出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者 設(shè)計(jì)。但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大， 同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變 片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜；而電阻 太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。電阻應(yīng)變片的阻值一 般均為幾十歐至幾十千歐左右。

3. 3激勵(lì)電壓

惠斯通電橋橋路需要一定的激勵(lì)電壓。橋路激勵(lì)電壓太高，橋路 電阻容易自熱；太低，又會使橋路輸出太小。一般約為幾伏到十幾 伏。

3.4靈敏度

如果傳感器的靈敏度為lmV/V，那么在5VDC激勵(lì) 電源作用下傳感器在額定載荷時(shí)的輸出信號應(yīng)該為： Uout=S*Uin=lraV/V*5V-5mV

稱重傳感器的靈敏度一般在1?2 mV/V之間。

4.稱重傳感器的選擇

傳感器彈性元件一般是由優(yōu)質(zhì)合金鋼材、有色金屬鋁、鈹青銅等 材料制成，其外形結(jié)構(gòu)多種多樣。常見的有柱式、懸臂梁式、環(huán)式、

輪輻式等。不同結(jié)構(gòu)的傳感器的量程范圍、安裝形式和適用場所 也不盡相同。稱重傳感器的選擇，量程是最為重要的因素。

4.1柱式稱重傳感器

柱式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和外形如圖2所示，其敏感元件為圓柱體， 在細(xì)的部位粘貼有四片或八片應(yīng)變片。這種傳感器的特性是結(jié)構(gòu)簡單 緊湊、易于加工，可設(shè)計(jì)成壓式或拉式，或拉、壓兩用式，此種稱重 傳感器可以承受很大的載荷。其缺點(diǎn)是靈敏度低、精度低等。常用于 大、中量程（1?5000電子秤。

4. 2柱環(huán)式稱重傳感器

柱環(huán)式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)與圓棒一體加工，在中央打孔，在孔內(nèi) 粘貼有4個(gè)應(yīng)變片，在集中載荷作用下，四個(gè)應(yīng)變片可獲得大小相等而 方向相反的應(yīng)變。其輸出靈敏度較高、線性度較好。常用于中、小量 程（0.5?50t)電子秤。

4. 3懸臂梁式稱重傳感器

如圖4所示稱重傳感器的彈性元件為雙孔平行梁式彈性元件，由于 彈性體成平行四邊形，因此其輸出不受力作用點(diǎn)位置變動的影響。常 用于小量（500g?500kg)電子押。

4. 4環(huán)式稱重傳感器

環(huán)式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和外形如圖5所示。由于其載荷的作用點(diǎn)和 支持點(diǎn)在同一軸線上，因此它的受力狀態(tài)穩(wěn)定。量程為5kg?5t電子秤 通常釆用此種結(jié)構(gòu)的稱重傳感器，其精度可達(dá)0.02%。

4.5輪輻式稱重傳感器

輪輻式稱重傳感器結(jié)構(gòu)主要由五個(gè)部分組成，輪轱、輪圈、輪輻 條、受拉和受壓應(yīng)變片。輪輻和輪圏的剛度很大，因此其過載能力很 強(qiáng)，線性測量范圍也比較寬。量程為5?50t電子秤通常采用此種結(jié)構(gòu) 的稱重傳感器。

5.小結(jié)

電子秤是稱重技術(shù)中的一種新型儀表，廣泛應(yīng)用于各種場合。電 子秤與機(jī)械秤比較有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低、實(shí)用性 強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，可在各種環(huán)境工作，重量信號可遠(yuǎn)傳，易于實(shí) 現(xiàn)重量顯示數(shù)字化，易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，帶來 社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。電子秤中的電阻應(yīng)變式稱重傳感器，是一種能 夠?qū)⒅亓D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牧σ浑娹D(zhuǎn)換裝置，是電子衡器的一個(gè)關(guān)鍵部件絕大多數(shù)電子秤所用的還是電阻應(yīng)變式稱重傳感器。。因此，電阻 應(yīng)變式傳感器有著廣闊的前景。