電阻應變式稱重傳感器工作原理

電阻應變式稱重傳感器

一、工作原理和構成

電阻應變式稱重傳感器之所以能作為質量一電量的轉換元件，是基於金屬絲在受拉或受壓後會發生彈性變形，其電阻值也隨之產生相應的變化這一物理特性實現的。當電阻應變片的金屬絲承受外力作用發生彈性變形時，它的長度L、截面積Js以及電阻率lD均會發生相應變化。此時其電阻相對變化為在鋼製圓柱體上，成對地在縱向和橫向上貼有R1，R2，R3，R4共4個電阻應變片，它們組成一個全橋式測量電路，如圖6-3所示。圖中A、c兩點接人激勵電壓u，一般是用交流或直流穩壓電源供電，B、D兩點為輸出端，工作時將輸出電信號u。這種橋式測量電路，可以靈敏地測量10-3~ 10-6量級的微小電阻值變化。當圓柱體（彈性體）受物體的重力（mg）作用（壓或拉）時，圓柱體便產生彈性變形，粘在其表面的電阻應變片隨其同步地變形，因而改變了它們的電阻值。電阻應變片的長度L、截面積S、電阻率10均隨之發生變化。由於電阻應變片組成的撟式電路是平衡的，電阻應變片的電阻變化會引起電橋的不平衡，從而輸出電信號，該信號與物體的質量（mg）成正比。根據上述原理製成的稱重傳感器主要由三部分組成，即彈性元件、電阻應變片和測量電路。用專門、十分嚴格的粘貼技術並通過連接線將這三者起來，就可以實現質量一電量信號之間的線形變換。

二、電阻應變片的主要技術特性

1．靈敏度金屬絲的靈敏度係數（Ko）是表示金屬絲受力後，電阻的相對變化與軸向長度的相對變化之間的關係。當將金屬絲製成應變片之後，應變片的靈敏度係數K就是一個新的量值了，而且K恆小於Ko。這是由於除了膠基對力傳遞變形失真外，主要還存在有橫向效應，而且K還是溫度的函數，所以對K的主要要求是穩定性。

2．橫向效應粘貼在試件上的應變片，其敏感柵由許多條直線及圓角部分組成。當受到縱向應力之後，直線段的電阻將增加，圓角部分的電阻將減小，其綜合效應是使應變片的靈敏度下降，這種現象稱為應變片的橫向效應。在工程上採用箔式應變片可以減小橫向效應。

3．線性度試件上的應變敏感元件，其電阻的相對變化AR/R理論上呈線性關係。實際上，當施加到試件上的力超過一定範圍時，就會出現非線性關係。

4．機械滯後和熱滯後當對貼有應變片的試件循環加載和卸載時，應變片的AR/R與A///之間的特性曲線的不重合程度稱為機械滯後。把加載和卸載特性曲線的zui大差異值稱為應變片的機械滯後值。它的物理意義是，保持外界條件不變，對試件循環加載、卸載過程中，對同一載荷，應變片輸出的差值即為機械滯後值。當試件受到恆定外力，環境溫度改變時應變片的電阻也要變化。在循環改變溫度時，應變片在同一溫度下電阻的差值稱為應變片的熱滯後值。工程上只對在中溫（60。350 0C）和高溫（大於350℃）條件下使用的應變片考慮熱滯後特性。’

5．零漂和蠕變在恆溫條件下，貼有應變片的試件不承受載荷，應變片的阻值隨時間變化的情況稱為應變片的零漂。在恆溫條件下，加到貼有應變片的試件上的載荷力恆定，應變片的應變輸出隨時間變化的情況稱為應變片的蠕變。

6．應變極限粘貼在試件上的應變片所能測量的zui大載荷力稱為應變極限。在恆溫條件下，緩慢均勻地施加載荷力，當應變片的輸出大於機械應變的10%時，就認為應變片已接近破壞狀態，此時的應變值就稱為應變極限值。

7．電阻應變片的疲勞壽命應變片粘貼到試件上之後，在應變極限之內往復循環地施加載荷，應變片所能承受某一特定載荷作用的循環次數為應變片的疲勞壽命。一般這一指標可達I×106次。

8．電阻應變片的容許電流應變片接成橋路之後，當有電流通過時，將會產生熱量，可以使電阻應變片的溫度升高。當電流超過允許電流值時，可能造成應變片燒斷柵絲。顯然，允許電流與試件的尺寸、材料的導熱係數及應變片本身的尺寸等條件有關。使用中不允許超過允許電流的數值並注意相關的條件。

9．電阻應變片的絕緣電阻應變片的引線與試件之間的電阻值稱為絕緣電阻。它的數量級為兆歐級。

10．電阻應變片的動態響應特性進行動態測量時，應變是以應變波的形式在材料中傳播（傳播速度與聲波相同），當應變波在應變片的敏感柵的軸向傳播時，將會產生延遲。當測量以正弦規律變化的載荷時，應變片反映的應變波形是線柵長度內所感受變量的平均值，故所反映的波幅將低於實際應變數，而造成測量誤差。其誤差還將隨應變片的基長增大而增加。一般製造動態測量用應變片時，要將應變片的基長設計成應變波長的1/10 - 1/20