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第3章

電阻應(yīng)變片的應(yīng)用

——電子秤重裝置的設(shè)計(jì)

3.1實(shí)訓(xùn)的目的要求

實(shí)訓(xùn)目的1.通過實(shí)訓(xùn)使同學(xué)們更好地理解電阻應(yīng)變式傳感器的實(shí)際應(yīng)用；2.通過本次實(shí)訓(xùn)使同學(xué)們更全面地掌握各種測(cè)量電路的具體應(yīng)用特點(diǎn)；3.通過本次實(shí)訓(xùn)使學(xué)生更好地掌握測(cè)量電橋、差動(dòng)放大器及各種電路模塊的調(diào)節(jié)；4.通過這次實(shí)訓(xùn)使學(xué)生了解實(shí)用電子裝置的基本組成情況；5.通過本次實(shí)訓(xùn)使同學(xué)們?cè)趧?dòng)手能力得到鍛煉的同時(shí)充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新潛能，充分調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力；實(shí)訓(xùn)要求1.首先要充分掌握前面兩次實(shí)訓(xùn)的有關(guān)內(nèi)容，弄清電阻應(yīng)變式傳感器的基本工作原理及性能特點(diǎn)；掌握半橋、全橋和交流全橋這三種基本測(cè)量電路的性能特點(diǎn)；2.其次要根據(jù)老師提出的測(cè)量要求來自主設(shè)計(jì)測(cè)量電路，可以參考本教程所提供的電路圖；也可以采用另外的方法實(shí)現(xiàn)，另配元件或自制電路板，只要能達(dá)到測(cè)量要求就行；3.自主設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)方案應(yīng)先由指導(dǎo)教師審查同意后才可實(shí)施；4.測(cè)量要求為：稱重精度0.1g，稱重范圍為10g到1000g；

13.2實(shí)訓(xùn)的基本原理

本次實(shí)訓(xùn)的基本原理是利用電阻應(yīng)變式傳感器的輸出與應(yīng)變成正比，通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)將被稱物體的重量轉(zhuǎn)換成與之成一定比例關(guān)系的應(yīng)變，然后再由傳感器將這一應(yīng)變變成電阻的變化輸出到測(cè)量電路，通過測(cè)量電路變成電壓信號(hào)輸出到顯示表頭。通過一定的計(jì)算就可得到輸出電壓每毫伏代表多少克，再通過測(cè)量找出傳感器的線性范圍，就能確定這一電子稱重裝置的稱重范圍。它的稱重精度可通過調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)來調(diào)整，也可通過采用不同的顯示裝置來調(diào)整。例如：采用毫伏級(jí)的顯示表頭時(shí)讀數(shù)到毫伏為止，而當(dāng)采用0.1毫伏級(jí)表頭時(shí)可讀到十分之一毫伏，其精度就可提高十倍。稱重裝置的稱重靈敏度主要取決于該裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分及電阻應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度兩個(gè)方面，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的剛度決定了同等重量的物體作用下能產(chǎn)生的應(yīng)變大小，而應(yīng)變的大水又決定了電阻應(yīng)變片輸出量的大小。因此，要達(dá)到一定的稱重分辨力，應(yīng)要求裝置機(jī)械部分的剛度不宜太大，理論分析剛度越小分辨力越高。但剛度也不能過小，因?yàn)閼?yīng)變片的線性范圍很小。剛度過小會(huì)使它的重范圍變得非常小，失去實(shí)用價(jià)值。若其剛度過小，在幾克重物作用下應(yīng)變就超過百分之一，則其稱重范圍顯得太小，沒多少實(shí)用價(jià)值。故應(yīng)變片的選擇要根據(jù)稱重裝置的稱重范圍和精度要求而定。另外，實(shí)用的測(cè)量電橋必須考慮其溫度漂移問題。測(cè)量電橋的溫度漂移是指測(cè)量裝置的工作溫度發(fā)生變化時(shí)所得的測(cè)量結(jié)果有所不同。為了保證測(cè)量精度，必須對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ校阂皇菓?yīng)變片溫度自適應(yīng)補(bǔ)償法；二是電路補(bǔ)償法；

2所謂自適應(yīng)補(bǔ)償[4]是指在應(yīng)變片的自身結(jié)構(gòu)上有取特定的措施，使其輸出不受溫度的影響。具體的結(jié)構(gòu)類型有單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片和雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片兩種；單絲補(bǔ)償主要是通過選用合適溫度系數(shù)的電阻材料，作為應(yīng)變片的敏感柵，使其在某種相匹配的受力構(gòu)件上使用時(shí)，由溫度變化產(chǎn)生的電阻變化量，由于它們的線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的電阻變化量相抵消，以達(dá)到消除溫度變化所引起的電阻變化。此種自補(bǔ)償形式無需改變應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)便易行，但它必須在特定材料的受力構(gòu)件上才能使用，也就是存在匹配問題，故使其應(yīng)用受到了很大的限制。雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片主要是利用兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種是正溫度系數(shù)、另一種為負(fù)）的材料串聯(lián)組成應(yīng)變片的敏感柵，以達(dá)到在某一溫度范圍內(nèi)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)原理如圖3.1所示，圖中的應(yīng)變片分成A和B兩段，這兩段敏感柵隨溫度變化所產(chǎn)生的電阻增量大小相等、符號(hào)相反，即：

（3—1）

3這種補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)是在制造應(yīng)變片時(shí)可以通過調(diào)節(jié)兩段敏感柵的長(zhǎng)度之比來適應(yīng)不同的受力元件，以獲得在一定溫度范圍內(nèi)具有良好的溫度自適應(yīng)性。這種方法雖有較好的補(bǔ)償效果，但應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。電路補(bǔ)償是指在測(cè)量電路中采取一定的措施來消除溫度變化的影響。具體方法有差動(dòng)電路法和熱敏電阻法兩種。差動(dòng)電路法是將相同溫度系數(shù)的兩片或四片電阻應(yīng)變片接成雙臂或四臂工作的差動(dòng)電路。這種方法最簡(jiǎn)單實(shí)用，但對(duì)應(yīng)變片的自身性能和貼片工藝要求較高；熱敏電阻法是利用熱敏電阻隨溫度而改變的值來抵消應(yīng)變片隨溫度變化而改變的電阻值，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)姆椒?。其原理電路圖如圖3.2所示。只要合理選擇分流電阻R5和熱敏電阻RT的阻值，就能補(bǔ)償由于溫度的改變而引起的輸出誤差，達(dá)到保證測(cè)量精度的要求。

3.3實(shí)訓(xùn)的具體內(nèi)容

本次自主性實(shí)訓(xùn)所做的稱重裝置要求達(dá)到的稱重精度為0.1克，稱重范圍為10克——1000克。同學(xué)們可根據(jù)測(cè)量要求自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。方案最好以YL—CG實(shí)訓(xùn)臺(tái)為依托，盡量少采用其它的元器件、電路模塊或設(shè)備，這樣便于更方便地實(shí)施。這里給出兩種方案供參考：方案一是建立在實(shí)訓(xùn)一的基礎(chǔ)上，產(chǎn)用一個(gè)測(cè)量應(yīng)變片來進(jìn)行檢測(cè)；此方案簡(jiǎn)單易行，所用模塊少，但精度較低，不一定能滿足測(cè)量要求；方案二是建立在實(shí)訓(xùn)二的基礎(chǔ)上，產(chǎn)用交流全橋測(cè)量電路，用到四個(gè)電阻應(yīng)變片?？梢垣@得較高的測(cè)量精度和足夠的測(cè)量范圍；但所用電路模塊較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較困難。

43.3.1方案一

該電子稱重裝置如圖3.3所示，由稱重托盤1、電阻應(yīng)變片2、應(yīng)變梁3、4伏直流穩(wěn)壓電源4、測(cè)量電路5、差動(dòng)放大器模塊6、輸出顯示模塊7和15伏直流穩(wěn)壓電源8組成。稱重原理是：應(yīng)變梁在被稱重物的重力作用下產(chǎn)生一應(yīng)變?chǔ)?，此?yīng)變引起電阻應(yīng)變片的電阻發(fā)生改變，由測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，再由顯示裝置將電壓顯示出來，根據(jù)電壓的不同就可知被稱物的重量。當(dāng)然，先必須經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)砝碼測(cè)出該裝置的線性范圍和標(biāo)定系數(shù)（這也是本實(shí)訓(xùn)的主要任務(wù)），然后就可以稱各種重物了，同學(xué)們可以試試自己設(shè)計(jì)的裝置精度如何。5同學(xué)們可根據(jù)測(cè)量要求自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。這種補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)是在制造應(yīng)變片時(shí)可以通過調(diào)節(jié)兩段敏感柵的長(zhǎng)度之比來適應(yīng)不同的受力元件，以獲得在一定溫度范圍內(nèi)具有良好的溫度自適應(yīng)性。因此，要達(dá)到一定的稱重分辨力，應(yīng)要求裝置機(jī)械部分的剛度不宜太大，理論分析剛度越小分辨力越高。單絲補(bǔ)償主要是通過選用合適溫度系數(shù)的電阻材料，作為應(yīng)變片的敏感柵，使其在某種相匹配的受力構(gòu)件上使用時(shí)，由溫度變化產(chǎn)生的電阻變化量，由于它們的線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的電阻變化量相抵消，以達(dá)到消除溫度變化所引起的電阻變化。例如：采用毫伏級(jí)的顯示表頭時(shí)讀數(shù)到毫伏為止，而當(dāng)采用0.這種方法最簡(jiǎn)單實(shí)用，但對(duì)應(yīng)變片的自身性能和貼片工藝要求較高；通過本次實(shí)訓(xùn)使學(xué)生更好地掌握測(cè)量電橋、差動(dòng)放大器及各種電路模塊的調(diào)節(jié)；1克，稱重范圍為10克——1000克。這種補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)是在制造應(yīng)變片時(shí)可以通過調(diào)節(jié)兩段敏感柵的長(zhǎng)度之比來適應(yīng)不同的受力元件，以獲得在一定溫度范圍內(nèi)具有良好的溫度自適應(yīng)性。為了保證測(cè)量精度，必須對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。的材料串聯(lián)組成應(yīng)變片的其次要根據(jù)老師提出的測(cè)量要求來自主設(shè)計(jì)測(cè)量電路，可以參考本教程所提供的電路圖；方案二是建立在實(shí)訓(xùn)二的基礎(chǔ)上，產(chǎn)用交流全橋測(cè)量電路，用到四個(gè)電阻應(yīng)變片。但剛度也不能過小，因?yàn)閼?yīng)變片的線性范圍很小。具體方法有差動(dòng)電路法和熱敏電阻法兩種。但所用電路模塊較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較困難。為了保證測(cè)量精度，必須對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。稱重原理是：應(yīng)變梁在被稱重物的重力作用下產(chǎn)生一應(yīng)變?chǔ)?，此?yīng)變引起電阻應(yīng)變片的電阻發(fā)生改變，由測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，再由顯示裝置將電壓顯示出來，根據(jù)電壓的不同就可知被稱物的重量。引起稱重誤差的因素有哪些？稱重原理是：應(yīng)變梁在被稱重物的重力作用下產(chǎn)生一應(yīng)變?chǔ)?，此?yīng)變引起電阻應(yīng)變片的電阻發(fā)生改變，由測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，再由顯示裝置將電壓顯示出來，根據(jù)電壓的不同就可知被稱物的重量。同學(xué)們可根據(jù)測(cè)量要求自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。稱重原理與方案一類似，不再重復(fù)。（3—1）再進(jìn)行測(cè)定直到符合要求為止；1g，稱重范圍為10g到1000g；補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ校阂皇菓?yīng)變片溫度自適應(yīng)補(bǔ)償法；這種方法雖有較好的補(bǔ)償效果，但應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。此方案簡(jiǎn)單易行，所用模塊少，但精度較低，不一定能滿足測(cè)量要求；單絲補(bǔ)償主要是通過選用合適溫度系數(shù)的電阻材料，作為應(yīng)變片的敏感柵，使其在某種相匹配的受力構(gòu)件上使用時(shí)，由溫度變化產(chǎn)生的電阻變化量，由于它們的線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的電阻變化量相抵消，以達(dá)到消除溫度變化所引起的電阻變化。實(shí)際稱重時(shí)要注意所放重物不能超過線性范圍的上限；剛度過小會(huì)使它的重范圍變得非常小，失去實(shí)用價(jià)值。方案二此方案的原理如圖3.4所示，基本組成與方案一相似，主要區(qū)別在于此處用了四個(gè)性質(zhì)完全相同的電阻應(yīng)變片來組成交流全橋測(cè)量電路，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行更為全面的處理，故能達(dá)到較好的使用效果。稱重原理與方案一類似，不再重復(fù)。圖3.4中2為四個(gè)應(yīng)變電阻，4為音頻信號(hào)發(fā)生器，7為移相器，8為相敏整流器、9為低通濾波器。63.4操作步驟

1.先對(duì)差動(dòng)放大器和應(yīng)變電橋進(jìn)行調(diào)零；2.按所設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行接線；3.用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)稱重裝置進(jìn)行標(biāo)定和線性范圍的確定；4.調(diào)整各參數(shù)使得到的參數(shù)符合要求；5.進(jìn)行實(shí)際稱重，檢驗(yàn)此裝置是否合理，對(duì)存在的問題進(jìn)行仔細(xì)分析，并找出解決辦法；