稱重傳感器理論知識

第一節   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）按一定的規律轉換為與其對應的另一種（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、傳感器發展方向

高精度、高靈敏度；

高可靠性、寬溫度范圍、抗干擾強；

微型化（小尺寸、重量輕）和高強度；

微功耗及無源化；

智能化、數字化、高響應速率；

互換性好，成本低，安全無污染方向；

抗環境影響(熱、振動、酸、堿、水、空氣)能力強方向

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——味覺；

5、壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

第二節   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（質量）轉換成另外一種被測量（輸出）來測量質量的力傳感器。

被測量（質量）       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——電阻應變計；

測量電路——惠斯通電橋

二、電阻應變計工作原理

以金屬材料為轉換元件的電阻應變計，其轉換原理是基于金屬電阻絲的電阻——應變效應。

所謂應變效應是指金屬導體（電阻絲）的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發生改變的一種物理現象。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——應變計的靈敏系數；

ε——軸向應變

結論：金屬絲拉伸，電阻值增加；

     金屬絲壓縮，電阻值減小

3、幾種常見的電阻應變計外形

5、我公司常用應變計的阻值（Ω） 350；700；1000 

 三、稱重傳感器的工作原理 

 1、兩個典型的力學模型

當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

在應變計的電測技術中，應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、電路結構簡單、精度高、容易實現溫度補償等優點，因此能很好地滿足應變測量的要求。

電橋根據電源的性質分直流電橋和交流電橋兩種，當Ui為直流時該電橋為直流電橋。電橋電路如上圖所示，它的四個橋臂由R₁、R₂、R₃、R₄組成。

當R₁=R₂=R₃=R₄時，稱為等臂電橋；

當（R₁=R₂）≠（R₃=R₄）時，稱為對輸出對稱電橋；（也稱臥式橋）

當（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

根據分壓原理，從D-A-C半橋來看，從D經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。

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

2）、按上述力學模型解釋：

當F=0時，R₁R₃=R₂R₄；U₀=0；

當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果時，只需將A與C（或B與D）之間的電源正、負極互換即可。

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