項目一電子秤的力測量系統(tǒng)

項目一 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)變式傳感器進行力測量的原理及用途；2、能夠工程舉例；3、能夠設(shè)計制作實際電路；4、能夠探索傳感器新的應(yīng)用領(lǐng)域；5、掌握電阻應(yīng)變片的測量電路；6、掌握本項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)變傳感器的電路測試9、掌握電子秤的設(shè)計原理和電路圖；10、了解電子秤的元件選取原則和電路調(diào)試?！卷椖棵枋觥浚弘娮映硬捎矛F(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)一體化的電子稱量裝置，滿足并解決現(xiàn)實生活中提出的快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動”稱量要求，同時有效地消除人為誤差，使之更符合法制計量管理和工業(yè)生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用要求， 該項目我們采用一體化教學(xué)方法進行，11【相關(guān)知識點】、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。.工作原理.電阻一應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將相應(yīng)地發(fā)生變化,為金屬導(dǎo)體的電阻一應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻一應(yīng)變效應(yīng)用靈敏系數(shù) K.電阻一應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將相應(yīng)地發(fā)生變化,為金屬導(dǎo)體的電阻一應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻一應(yīng)變效應(yīng)用靈敏系數(shù) K描述-RRRRK 這種現(xiàn)象稱式中，=1/111——軸向應(yīng)變。(1-1)考慮一段金屬導(dǎo)體（l,p,s）,如圖1-1所示圖1-1圖1-1金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)未受力時，原始電阻為當(dāng)受拉力F作用時，將伸長AL,未受力時，原始電阻為當(dāng)受拉力F作用時，將伸長AL,橫截面積相應(yīng)減小AS,電阻率（1-2）P則因晶格變形等因素的影響而改變則有RAp,故引起電阻變化 AR將式（1-2）全微分，并利用相對變化量表示,R式中，A1/1=

由于R式中，A1/1=

由于S=7tdAd/d=@RS,為金屬導(dǎo)體電阻絲的軸向應(yīng)變，常用單位/4,則

,式中6 (1-3)…((ie=1X10-6mm/mm,AS/S=2Ad/d,其中Ad/d為橫向（縱向）應(yīng)變；且由材料力學(xué)知,為金屬材料的泊松比。將前面關(guān)系代入式（ 1-3）得R其應(yīng)變靈敏度為KR其應(yīng)變靈敏度為K3(1-4)(1-5)對于金屬材料，A對于金屬材料，A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變化與應(yīng)變成正比AR/R=K?e(1-6).應(yīng)變片測試原理使用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時，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，應(yīng)變片電阻變化AR如果應(yīng)用測量電路和儀器測出 AR,根據(jù)式（1-6）,可得彈性試件的變。力一應(yīng)力d一應(yīng)變s(s=(T/E)一AR應(yīng)變值根，而根據(jù)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系:（T=E應(yīng)變值根，而根據(jù)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系:（T=E￡,可以得到被測應(yīng)力值入其中E一試件材料彈性模量，b（1-7）一試件的應(yīng)力，￡一試件的應(yīng)通過彈性敏感元件的作用，可以將應(yīng)變片測應(yīng)變的應(yīng)用擴展到能引起彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變的各種非電量的測量，從而構(gòu)成各種電阻應(yīng)變式傳感器。.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)，材料和類型金屬電阻應(yīng)變片白結(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，=0.012?0.05mm金屬細(xì)絲繞成細(xì)狀，柵長=0.2,0.5,1.0,100,200mm 等。2)箔式應(yīng)變片，由厚度為0.003?0.01mm的金屬箔片制成各種圖形的敏感柵 ，亦稱應(yīng)變花，如圖1-3所示。其優(yōu)點(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)各種不同測量要求的形狀，其柵長可彳^到0.2mm；(2)敏感柵薄而寬，與被測試件粘貼面積大，黏結(jié)牢靠，傳遞試件應(yīng)變性能好；散熱條件好，允許通過較大的工作電流，從而提高了輸出靈敏度；橫向效應(yīng)?。?5)蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。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1dmi這種應(yīng)變片具有比箔式應(yīng)變片更多的優(yōu)點。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，便于制造小柵長的應(yīng)變片；(3)電阻溫度系數(shù)較小，電阻一溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好；(4)機械強度高，輾壓及焊接性能好，與其他金屬之間的接觸電勢??；(5)抗氧化、耐腐蝕性能強，無明顯機械滯后。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位置， 并且有絕緣作用。一般為厚度0.02?0.05mm的環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等膠基材料。對基底和蓋片材料的性能要求：機械強度好，撓性好；粘貼性能好；電絕緣性好；熱穩(wěn)定性和搞溫性好；無滯后和蠕變。3、引線作用：連接敏感柵和外接導(dǎo)線。一般采用=0.05?0.1mm的銀銅線、銘?zhàn)x線、卡馬線、鐵鉛絲等 ，與敏感柵點焊焊接。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 ，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：有機和無機兩大類。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，于室溫條件測定的電阻值（原始電阻值），已標(biāo)準(zhǔn)化.主要有60,120,350,600,1000Q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1010Qo3、靈敏系數(shù)（K）電阻應(yīng)變片的電阻一應(yīng)變特性與金屬絲時不同，須用實驗法對電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K重新測定。測定時將應(yīng)變片安裝于試件（泊松比 =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=（AR/R）/（Al/l）,而且一批產(chǎn)品只能進行抽樣（5%＞測定，取平均K值及允許公差值為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，有時稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。4、允許電流指不因電流產(chǎn)生的熱量影響測量精度，應(yīng)變片允許通過的最大電流。靜態(tài)測量時，允許電流一般為 25mA;動態(tài)測量時，允許電流可達(dá)75?100mA。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)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。如圖 1-4所示。圖1-4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，是按規(guī)定的特定應(yīng)變場 （單向應(yīng)力場，==0.285）下進行的，標(biāo)定出的K值實際上也將橫向效應(yīng)的影響包括在內(nèi)，只要應(yīng)變片在實際使用時，符合特定條件（如平面應(yīng)力狀態(tài)，或試件的 0.285）,則會引起一定的橫向效應(yīng)誤差，需進行修正。6、機械滯后應(yīng)變片粘貼在試件上，應(yīng)變片的指示應(yīng)變￡i與試件的機械應(yīng)變￡m之間應(yīng)當(dāng)是一確定的關(guān)系。但在實際應(yīng)用時，在加載和卸載過程中，對于同一機械應(yīng)變 ￡j,應(yīng)變片卸載時的指示應(yīng)變高于加載時的指示應(yīng)變， 這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機械滯后， 如圖1-5所示；其最大差值A(chǔ)￡m稱為應(yīng)變片的機械滯后值。圖1-6應(yīng)變極限圖1-6應(yīng)變極限.應(yīng)變極限對于已粘貼好的應(yīng)變片，其應(yīng)變極限是指在一定溫度下， 指示應(yīng)變em與受力試件的真實應(yīng)變si的相對誤差達(dá)到規(guī)定值（一般為 10%時的真實應(yīng)變ej,如圖1-6所示。、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（即無機械應(yīng)變）的情況下，其電阻值（即指定應(yīng)變）隨時間變化的特性稱為應(yīng)變片的零漂； 如果應(yīng)變片承受恒定機械應(yīng)變（1000^8內(nèi)）長時間作用，其指示應(yīng)變隨時間變化的特性稱為應(yīng)變片的蠕變。9、動態(tài)特性應(yīng)變測試中，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)測試時，應(yīng)變片能正確反映它所處受力試件內(nèi)各點的應(yīng)變；動態(tài)測試時，應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式沿應(yīng)變的敏感柵的長度方向傳播， 因而應(yīng)變片反映的平均應(yīng)變與瞬時應(yīng)變有一定差異，產(chǎn)生動態(tài)誤差。5.溫度誤差及其補償1、溫度誤差作為測量用的應(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料的線膨脹系數(shù)不同。2、溫度補償1）雙金屬敏感柵應(yīng)變片（組合式自動補償應(yīng)變片）圖1-7雙金屬線補償法兩段敏感柵R和R電阻溫度系數(shù)相反，串聯(lián)連接，可實現(xiàn)溫度補償。通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長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償。2）電路補償法（1）差動電橋線路補償，如圖1-8所示。圖1-8 電路補償法（2）熱敏電阻電路補償，如圖1-9所示。 為 -a圖1-9熱敏電阻溫度補償法當(dāng)溫度升高應(yīng)變片的靈敏度下降時，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 R電阻也下降，使電橋的輸

R,可以使應(yīng)變片靈敏度下降對電橋R,可以使應(yīng)變片靈敏度下降對電橋3、測量電路電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路常采用電橋電路。圖1-10圖1-10直流電橋1)直流電橋的主要特性當(dāng)RL一oo時，電橋輸出阻抗電壓TOC\o"1-5"\h\zRi R3Ri R2 R3 R4M R1R4 R2R3UiR1 R2R3 R4當(dāng)電橋各橋臂均有相應(yīng)電阻變化A R,AR2,AR3,AR4時UiRiUiRiRiR1R4 R4 R2 R2R3Ri R2 R2 R3 R3 R4R3R4RR1 RRR1 R2 R3 R42RRi R22RRiR4 R2R3R3 R4(當(dāng)R=Ri=R2=R3=R4)Ui Ri R2 R3 R44 R R R R(當(dāng)Ui Ri R2 R3 R44 R R R R(當(dāng)ARi<<R)討論:(i)當(dāng)RR時，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， 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，輸出電壓為兩者之和。(3)若相對兩橋臂的應(yīng)變極性一致時，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粘貼應(yīng)變片，可以提高傳感器的測量靈敏度和獲得溫度補償?shù)取?)單臂工作電橋的非線性及差動電橋(i)單臂工作電橋，設(shè)ARi=AR,AR2=AR3=AR4=0,則UoUiUiRi4R2R4Ri1K2Ui線性輸出Uo5K4(1-39)\o"CurrentDocument"1K 1 K 2 1 K 3線性輸出Uo5K4(1-39)\o"CurrentDocument"1K 1 K 2 1 K 3L — K — K — K2 4 8非線性誤差1K2(1-40)Uo(2)差動電橋

半橋差動：U__RT"r"全橋差動：ARi=-AR=UIk2ARi=-ARa=-AR,AR=AR4=01-14(a)所示,UoUiUiK(1-41)AR=AR=AR,如圖1-14(b)所示,(1-42)(blUJ圖1-11差動電橋電路差動電橋不僅可以提高輸出電壓，而且還具有溫度補償作用，設(shè)溫度變化所引起的附加應(yīng)變?yōu)閠或附加電阻變化ARt,則半橋差動時AR1,AR2=加應(yīng)變?yōu)閠或附加電阻變化ARt,則半橋差動時AR1,AR2=_AR+ARt； ￡t,則UoR RtRR RtUiUjR2R或Uo5K2如圖UjR2R或Uo5K2如圖1-12,化分別為AR,AR,串聯(lián)工作：3)應(yīng)變片的串聯(lián)與并聯(lián)工作方式AR…ARn=AR,則1=R2=nR1 Ri 1 Ri' R21 Ri 1 Ri' R2'Rn'KR1 KnRR11RK-RT電阻應(yīng)變片串聯(lián)和并聯(lián)都不會增加電橋輸出,但串聯(lián)工作時具有平均效應(yīng)，且可在應(yīng)變TOC\o"1-5"\h\z1 「1 2 nn =￡(1-43)并聯(lián)工作： R 1=R2=R/n11 1百F -R?1 1 nK1 1- RR'R(1-44)并聯(lián)時，在應(yīng)變片極限電流條件下片極限電流條件下，提高供橋電壓，相應(yīng)提高電橋輸出;相應(yīng)提高電橋輸出電流n倍。并聯(lián)時，在應(yīng)變片極限電流條件下電阻應(yīng)變式傳感器彈性敏感元件+電阻應(yīng)變片一電阻應(yīng)變式傳感器.電阻應(yīng)變式力傳感器、柱（筒）式力傳感器圖1-17為柱（筒）式力傳感器，彈性敏感元件為實心或空心的柱體（截面積為 S,材料彈性*II量為E）,當(dāng)柱體軸向受拉（壓）力F作用時，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系I—I—地磅稱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，懸臂梁產(chǎn)生變形，在梁的上、下表面對稱位置上應(yīng)變大小相當(dāng)，極性相反，若分別粘貼應(yīng)變片 R、R4和的、R,并接成差動電橋，則電橋輸出電壓U0與力F成正比。圖1-14 懸臂粱式力傳感器翳翳Uo1-15)6FlUoUiKxUiK—bohE3、其它特殊懸臂梁力傳感器（圖圖1-15特殊粱式力傳感器（a）雙孔粱；（b）單孔粱；（c）、（d）S型粱電子稱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圖1-18軸彈性元件式測力傳感器6、軸剪切力傳感器（圖1-18）應(yīng)變片的粘貼方式和測量電橋的連接如圖 1-18所示，當(dāng)彈性軸剪切力作用時，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量。.電阻應(yīng)變式壓力傳感器1、筒式壓力傳感器（圖圖1-19筒式壓力傳感器在筒徑向或筒的實心底部貼溫度補償應(yīng)變片。這種壓力傳感器一般用于管道，槍（炮）受力測量。2、膜片式壓力傳感器（圖1-20）

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R、R4感受的應(yīng)變與粘貼在r<rc內(nèi)的切向應(yīng)變片R2、R感受的應(yīng)變相等，它們的極性相反，這樣便于接成差動電橋。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)(a) (c)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.。1-質(zhì)量塊；1-應(yīng)變粱；3-硅油阻尼液；4-應(yīng)變片；5-溫度補償電阻；3-絕緣套管；7-接線柱；8-電纜；9-壓線板；10-殼體；11-保護塊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m/懸臂梁變形e一電阻應(yīng)變片產(chǎn)生電阻變化AR。

4.電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用實例1、基本應(yīng)用一一平面膜片式壓力傳感器圖1-24所示為壓力應(yīng)變計原理電路。圖圖1-24壓力應(yīng)變計2、手提式數(shù)字電子稱準(zhǔn)S型稱重傳感器如圖1-25所示。測量電路如圖1-26所示Rt&g圖1-25準(zhǔn)S型稱重傳感器接LCD的胃電悔―|f他其■) IdkQ授LC網(wǎng)'JR點0P,-h；測量電路如圖1-26所示Rt&g圖1-25準(zhǔn)S型稱重傳感器接LCD的胃電悔―|f他其■) IdkQ授LC網(wǎng)'JR點0P,-h；30kDI卜+<?22k□R￡HHiTESTOSC3OSC2OSCgPOLB4,t4nrciKL7106m,§m*tn(b)手提電子秤電路圖 (a)小數(shù)點顯示電路圖1-26 手提數(shù)字電子稱測量電路IC2(a)(a)小數(shù)點顯示電路；(b)手提數(shù)字電子稱電路圖1.半導(dǎo)體應(yīng)變片11.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)力而變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。對于長l,截面積S,的結(jié)果電阻率P的條形半導(dǎo)體應(yīng)變片，在軸向力對于長l,截面積S,的結(jié)果電阻率P的條形半導(dǎo)體應(yīng)變片，在軸向力F作用下利用式（1-4）應(yīng)變靈敏系數(shù)KblE(1-45)lE(1-46)式中，E—半導(dǎo)體應(yīng)變片材料的彈性模量；兀l一半導(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)變片的測量電路3、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的測量電路直流電阻電橋電路，但須采用溫度補償措施，如圖1-28所示 aU*J_圖1-28溫度補償電路.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)擴散制作應(yīng)變電阻和測量電路，稱為擴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散制作四個應(yīng)變電阻，在其自由端裝慣性質(zhì)量 E當(dāng)殼體彳^加速（a）運動時一質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力mo^硅梁變形e一擴散電阻變化