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應變式稱重傳感器原理：一文讀懂電阻應變式稱重傳感器的原理

原標題：一文讀懂電阻應變式稱重傳感器的原理

電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。 　　

由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。

一、電阻應變片 　　

電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重 要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。 　

設有一個金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：R=ρL/S（Ω（2—1）　 　　

當他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Δρ。 　　

對式（2--1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。

我們有：ΔR=ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2）

用式（2--1）去除式（2--2）得到

ΔR/R=Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （2—3） 　　

另外，我們知道導線的橫截面積S=πr2，則 Δs=2πr*Δr，

所以ΔS/S=2Δr/r （2—4） 　　

從材料力學我們知道Δr/r=-μΔL/L （2—5）其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松系數。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），

有ΔR/R=Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L=K *ΔL/L （2--6） 　　

其中K=1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（2--7）式（2--6））說明了電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關系。　 　　

需要說明的是：靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。 　　

在材料力學中ΔL/L稱作為應變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便 　　常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（2--6）常寫作：ΔR/R=Kε (2—8)。

二、彈性體

彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區），使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。

以interface公司的稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。

設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。

肓孔底部中心是承受純剪應力，但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式，而不再推導。

ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2--9）

其中：Q--截面上的剪力；E--揚氏模量：μ—泊松系數；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。

需要說明的是，上面分析的應力狀態均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態。

三、檢測電路

檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。因為惠斯登電橋具有很多優點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。

因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。

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應變式稱重傳感器原理：電阻應變式稱重傳感器的原理與應用

　　稱重傳感器，是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的轉換裝置。稱重傳感器按轉換方法分成了光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等八大類。目前，電阻式應變式稱重傳感器是使用最為普遍的一種。
機器人應用中的電阻應變式力傳感器
　　電阻應變式稱重傳感器的原理
　　我們知道，稱重傳感器是一種力學傳感器。根據力的檢測方式不同，力學傳感器可分為應變片式、利用壓電元件式及差動變壓器、電容位移計式。其中，絕大多數衡器產品所用的還是電阻應變式力學傳感器，商品化的力覺傳感器大多是這一種。
惠斯登電橋電路放大應變片的微弱變化，資料圖
　　電阻應變片式力覺傳感器是利用電阻應變片變形時，其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜四部分組成。具體來說，通過利用金屬拉伸時電阻變大的現象，將它粘貼在加力方向上，可根據輸出電壓檢測出電阻的變換。通過電阻應變片可將試件的應變轉換成應變片的電阻變化，通常這種電阻變化很小。測量電路有多種，惠斯登電橋電路是最常用的電路。
集裝箱稱重管理系統中應用的稱重傳感器
　　電阻應變式稱重傳感器的分類與應用
　　電阻應變式稱重傳感器結構較簡單，準確度高，適用面廣，且能在相對比較差的環境下使用。因此，電阻應變式稱重傳感器得到了廣泛的運用。目前，在稱重傳感器主要技術指標的基本概念和評價方法上，新舊國標有質的差異。主要有S型、懸臂型、輪輻式、板環式、膜盒式、橋式、柱筒式等幾種樣式。
　　其中，S型稱重傳感器是最為常見的一種傳感器，主要用在測固體間的拉力和壓力，通用也人們也稱之為拉壓稱重傳感器。由于其外形呈S形，所以，習慣上也被稱為S型稱重傳感器，這種傳感器采用合金鋼材質，膠密封防護處理，安裝容易，使用方便，適用在吊秤、配料秤、機改秤等電子測力稱重系統中。
　　比如采用這種拉壓式稱重傳感器的電子秤，相比普通壓力傳感器，拉壓稱重傳感器準確度高、價格較便宜、不易損壞，因此應用前景廣泛。該電子秤可用于工廠生產中配料和測力等場合，具有測量準確，分辨率高，不易損壞和價格便宜等優點。
電子汽車衡應用中的數字式稱重傳感器
　　數字式稱重傳感器
　　數字稱重傳感器是一種能將重力轉變為電信號的力電轉換裝置，它主要就是指集電阻應變式稱重傳感器、電子放大器（AMC）、模數轉換技術（ADC）、微處理器（MCU）于一體的新型傳感器。目前，數字稱重傳感器與數字計量儀表技術的發展已逐漸成為稱重技術領域的新寵，其以調試簡便高效、適應現場能力強等優勢正在該領域嶄露頭角。
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應變式稱重傳感器原理：電阻應變式稱重傳感器的工作原理解析

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應變式稱重傳感器原理：稱重傳感器的工作原理

稱重傳感器采用金屬電阻應變片組成測量橋路，利用金屬電阻絲在張力作用下伸長變細，電阻增加的原理，即金屬電阻隨所受應變而變化的效應而制成的。
一、什么是稱重傳感器？稱重傳感器是用來將重量信號或壓力信號轉換成電量信號的轉換裝置。
二、稱重傳感器的構造原理。金屬電阻具有阻礙電流流動的性質，同一種金屬絲，一般來講，越是細長，其電阻值就越大。當金屬電阻絲受外力作用而伸縮時，其電阻值就會在某一范圍內增減。因此，將金屬絲（或膜）緊貼在被測物體上，當被測物體受外力而伸縮時，金屬電阻絲（膜）也會按比例伸縮，其阻值也會相應變化。稱重傳感器就是將金屬電阻應變片粘貼在金屬稱重梁上進行測量重量信號的。
三、稱重傳感器的外形構造有圓柱形、S形、長方形等。

在整個定值分裝控制系統中,稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關鍵部件,選用GYL-3應變式稱重測力傳感器。四片電阻應變片構成全橋橋路,在所加橋壓U不變的情況下,傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比,而且,供橋橋壓U的變化直接影響電子稱的測量精度,所以要求橋壓很穩定。毫伏級的傳感器輸出經放大后,變成了0-10V的電壓信號輸出,送入V/F變換器進行A/D轉換,其輸出端輸出的頻率信號加到單片機8031定時器1的計數、輸入端T1上。在微機內部由定時器0作計數定時,定時器0的定時時間由要求的A/D轉換分辯率設定。  定時器1的計數值反映了測量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時,計算機還根據設定值與測量值進行定值判斷。測量值與給定值進行比較,取差值提供PID運算,當重量不足,則繼續送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值,控制接口輸出控制信號,控制外部給料設備停止送料,顯示測量終值,然后發出回答令,表示該袋裝料結束,可進行下袋的裝料稱重。  圖2所示為自動稱重和裝料裝置。每個裝料的箱子或袋子沿傳送帶運動,直到裝有料的電子稱下面,傳送帶停止運動,電磁線圈2通電,電子稱料斗翻轉,使料全部倒入箱子或袋子中,當料倒完,傳送帶馬達再次通電,將裝滿料的箱子或袋子移出,并保護傳送帶繼續運行,直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源,與此同時,電子稱料箱復位,電磁線圈1通電,漏斗給電子秤自動加料,重量由微機控制,當電子秤中的料與給定值相等時,電磁線圈1斷電,彈簧力使漏斗門關上。裝料系統開始下一個裝料的循環。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時,這個過程可以持續不斷地進行下去。必要時,*作人員可以隨時停止傳送帶,通過拔碼盤輸入不同的給定值,然后再啟動,即可改變箱或袋中的重量。
本系統選用不同的傳感器,改變稱重范圍,則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業的自動包裝中。  2.傳感器在商用電子秤中的應用  目前,商用電子計價秤的使用非常普及,逐漸會取代傳統的桿稱和機械案秤。電子計價秤在秤臺結構上有一個顯著的特點:一個相當大的秤臺,只在中間裝置一個專門設計的傳感器來承擔物料的全部重

在整個定值分裝控制系統中,稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關鍵部件,選用gyl-3應變式稱重測力傳感器。四片電阻應變片構成全橋橋路,在所加橋壓u不變的情況下,傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比,而且,供橋橋壓u的變化直接影響電子稱的測量精度,所以要求橋壓很穩定。毫伏級的傳感器輸出經放大后,變成了0-10v的電壓信號輸出,送入v/f變換器進行a/d轉換,其輸出端輸出的頻率信號加到單片機8031定時器1的計數、輸入端t1上。在微機內部由定時器0作計數定時,定時器0的定時時間由要求的a/d轉換分辯率設定。
定時器1的計數值反映了測量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時,計算機還根據設定值與測量值進行定值判斷。測量值與給定值進行比較,取差值提供pid運算,當重量不足,則繼續送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值,控制接口輸出控制信號,控制外部給料設備停止送料,顯示測量終值,然后發出回答令,表示該袋裝料結束,可進行下袋的裝料稱重。
圖2所示為自動稱重和裝料裝置。每個裝料的箱子或袋子沿傳送帶運動,直到裝有料的電子稱下面,傳送帶停止運動,電磁線圈2通電,電子稱料斗翻轉,使料全部倒入箱子或袋子中,當料倒完,傳送帶馬達再次通電,將裝滿料的箱子或袋子移出,并保護傳送帶繼續運行,直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源,與此同時,電子稱料箱復位,電磁線圈1通電,漏斗給電子秤自動加料,重量由微機控制,當電子秤中的料與給定值相等時,電磁線圈1斷電,彈簧力使漏斗門關上。裝料系統開始下一個裝料的循環。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時,這個過程可以持續不斷地進行下去。必要時,*作人員可以隨時停止傳送帶,通過拔碼盤輸入不同的給定值,然后再啟動,即可改變箱或袋中的重量。
本系統選用不同的傳感器,改變稱重范圍,則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業的自動包裝中。
2.傳感器在商用電子秤中的應用
目前,商用電子計價秤的使用非常普及,逐漸會取代傳統的桿稱和機械案秤。電子計價秤在秤臺結構上有一個顯著的特點:一個相當大的秤臺,只在中間裝置一個專門設計的傳感器來承擔物料的全部重

負荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統稱，用單項參數評價它的計量特性。
電阻應變式稱重傳感器主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。電阻應變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號輸出。電信號經處理后以數字形式顯示出被測物的質量。電阻應變式稱重傳感器的稱量范圍為幾十克至數百噸，計量準確度達1/1000～1/，結構較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器都使用這種傳感器。電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體彈性元件，敏感梁在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片轉換元件也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化增大或減小，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號電壓或電流，從而完成了將外力變換為電信號的過程。在測量過程中，重量加載到稱重傳感器的彈性體上會引起塑性變形。電阻應變式稱重傳感器的工作過程應變正向和負向通過安裝在彈性體上的應變片轉換為電子信號。最簡單的彎曲梁稱重傳感器只有一個應變片。通常，彈性體和應變片通過多種方式來結合，類似外殼密封部件等來保護應變片。
稱重傳感器在選用時要考慮到很多因素，實際的使用當中我們主要從下列幾個因素考慮。稱重傳感器的量程根據你的用途，稱重傳感器的量程選擇可依據秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體自重、可產生的最大偏載及動載因素綜合評價來決定。一般來講，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但是在實際的使用當中，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。其次稱重傳感器的準確度等級包括傳感器的非線性、蠕變、重復性、滯后、靈敏度等技術指標。在選用的時候不應該盲目追求高等級的傳感器，應該考慮電子衡的準確度等級和成本。一般情況下，選用傳感器的總精度為非線性、不重復性和滯后三項指標的之和的均方根值略高于秤的精度。稱重傳感器形式的選擇主要取決于稱重的類型和安裝空間，保證安裝合適，稱重安全可靠；另一方面要考慮廠家的建議。對于傳感器制造廠家來講，它一般規定了傳感器的受力情況、性能指標、安裝形式、結構形式、彈性體的材質等。
稱重傳感器基本知識
1、什么是稱重傳感器？
稱重傳感器是用來將重量信號或壓力信號轉換成電量信號的轉換裝置。
2、稱重傳感器的測量原理是什么？
稱重傳感器采用金屬電阻應變片組成測量橋路，利用金屬電阻絲在張力作用下伸長變細，電阻增加的原理，即金屬電阻隨所受應變而變化的效應而制成的（應變，就是尺寸的變化）。
3、稱重傳感器的構造原理？
金屬電阻具有阻礙電流流動的性質，即具有電阻（Ω），其阻值依金屬的種類而異。同一種金屬絲，一般來講，越是細長，其電阻值就越大。當金屬電阻絲受外力作用而伸縮時，其電阻值就會在某一范圍內增減。因此，將金屬絲（或膜）緊貼在被測物體上，而且這種絲或膜又很細或很薄，粘貼又十分完善，那麼，當被測物體受外力而伸縮時，金屬電阻絲（膜）也會按比例伸縮，其阻值也會相應變化。稱重傳感器就是將金屬電阻應變片粘貼在金屬稱重梁上進行測量重量信號的。
4、稱重傳感器的外形構造與測重形式？
稱重傳感器的外形構造隨被測對象的不同，其外形構造也會不同。
A、比較常見的稱重傳感器的外形構造：
圓柱形（杯柱形）；S形；長方形等。
B、測重形式：
壓縮式；伸張式。
圓柱形（杯柱形）一般均為壓縮式測重形式。
S形，長方形均為壓縮式，伸張式兩用測重形式。
C、內部金屬稱重梁形式：
一般分為單孔或雙孔形式。
D、鶴林公司使用的稱重傳感器的外形構造與測重形式：
圓柱形——稱重倉（壓縮式），原料粉煤灰秤（壓縮式）。
S形——皮帶秤（壓縮式），包裝機袋重秤（伸張式）。
長方形——汽車衡（壓縮式），軌道衡（壓縮式），煤粉天平秤（伸張式），固體流量計（壓縮式）。
5、稱重傳感器的電路組成？
稱重傳感器進行測量時，我們需要知道的是應變片受應變時的電阻變化。通常總是采用應變片組成橋式電路（惠斯登電橋），將應變片引起的電阻變化轉換成電壓變化來進行測量的。
設：電橋的輸入激勵電壓為Ei, ①
則電橋的輸出電壓△E0為：
R1 R2
△E0=Ei×[(R1R3-R2R4)/(R1+R2)(R3+R4)]
輸入激勵電壓 ③ 輸出電壓
令電橋的初始條件為
R1=R2=R3=R4， ④
則△E0=0。
設電阻值R1的應變片受應變作用 R3 R4
后的電阻變化為R+△R，則電橋的輸 ②
出電壓△E0為：
△E0=Ei[△R/（4R+2△R）]≌（△R/4R）Ei (R>>△R)
由于△R=R×K0×ε，所以
△E0=（Ei×K0×ε）/4
例如，設K0=2，ε=1000×0., Ei=1V
則: △E0=(1×2×1000×0.)/4=0.5mV
式中 K0=系數（一般為2）
ε=應變系數(一般為500×0.~2000×0.;相當于10~40Kgf/mm2。)
Ei=輸入的激勵電壓
為了增加電橋的視在輸出,大多都將電橋設計成4枚應變片都受力作用的形式(4個工作片)。
此時 △E0=0.5mV×4=2 mV
6、傳感器的輸出靈敏度的表示方法？
電橋的輸出電壓通常用輸入激勵電壓為1V時的輸出電壓（mV/V）來表示。通常稱傳感器的輸出靈敏度。
7、為什么傳感器內部要加補償電路？
稱重傳感器在制造過程中，為了改善它的性能，特別是改善溫度特性，一般要在應變片電路中附加對零點和靈敏度的溫度補償。即除了應變片外，其中還增加了各種補償電阻。
零點補償的目的是盡量減小電橋零點隨溫度的變化，因此，出應變片本身的溫度自補償外，又加入了電阻溫度系數和電橋中應變片的溫度系數不同的電阻元件（如銅電阻或鎳電阻等），以加強補償作用。
靈敏度補償的目的是減小輸出電壓隨溫度的變化，即補償彈性體的彈性系數和應變片的靈敏度系數隨溫度的變化。因此，對電橋中串接了兩個與電橋溫度補償作用相同的電阻。同時電路中的其它電阻用于將電橋的初始平衡，額定輸出和輸入電阻等參數調整到規定的數值。
8、稱重傳感器的參數指標（中英文對照）
Model: STC-100Kg (型號規格)
Cap: 100Kg （量程范圍）
Date: 2005/01/14 （生產日期）
S/N: X （出廠編號）
FSO: 2.9981 mV/V （靈敏度）
Recommended Excitation: 10V AC/DC （推薦激勵電壓）
Maximum Excitation: 15V AC/DC （最大激勵電壓）
Output at Rated Load: 2.9981 mV/V （額定負荷輸出）
Non Linearity:<0.020% （非線性） Hysteresis: <0.020% （滯后） Creep(30 minutes): 0.029% （30分鐘蠕動） Non Repeatability: <0.01% （非重復性） Zero Retum(30 minutes): 0.030% （30分鐘零點漂移） Temp. Effect/℃ on Span: <0.0015% （溫度變化1℃對量程的影響） Temp. Effect/℃ on Zero: