項目一電子秤的力測量系統(tǒng).

1、項目一 調(diào)光燈電路的連接與調(diào)試【學習目標】：完成本課題的學習后，能夠:1、了解利用電阻應變式傳感器進行力測量的原理及用途;2、能夠工程舉例;3、能夠設計制作實際電路；4、能夠探索傳感器新的應用領域；5、掌握電阻應變片的測量電路；6、掌握本項目需要的原件的工作原理和應用；7、 掌握金屬應變傳感器的工作原理；8、掌握電阻應變傳感器的結構與特性；9、掌握電阻應變傳感器的電路測試9、掌握電子秤的設計原理和電路圖；10、了解電子秤的元件選取原則和電路調(diào)試。【項目描述】：電子秤采用現(xiàn)代傳感器技術、電子技術和計算機技術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、準確、連續(xù)、自動”稱量要求，同時有效

2、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)過程控制的應用要求，該項目我們采用一體化教學方法進行，【相關知識點】K =如I名式中，=l/l 軸向應變?？紤]一段金屬導體（I, p ,s ），如圖1-1 所示(1-1)圖1-1金屬電阻應變效應、金屬電阻應變式傳感器金屬電阻應變式傳感器是一種利用金屬電阻應變片將應變轉換成電阻變化的傳感器。1. 工作原理1. 電阻一應變效應當金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將相應地發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱 為金屬導體的電阻一應變效應。金屬導體的電阻一應變效應用靈敏系數(shù)K描述.R R R R未受力時，原始電阻為（1-2）當受拉力F作用時，將伸長 L,橫截面積

3、相應減小 S,電阻率p則因晶格變形等因 素的影響而改變 p，故引起電阻變化 R。將式（1-2 ）全微分，并利用相對變化量表示， 則有R . | S=+(1-3 )6 (卩 =1 x 10- mm/mjrn ,應變；且由材料力學知，1-3 )得R I S ?式中， l/l= ，為金屬導體電阻絲的軸向應變，常用單位卩由于S=n d 2 /4,貝U S/S=2 d/d, 其中 d/d為橫向（縱向） d/d= -卩，式中為金屬材料的泊松比。將前面關系代入式（=12:廠(1-4)R其應變靈敏度為-亦=1 2(1-5)對于金屬材料， P / p較小，可以略去。一般情況下，在應變極限內(nèi)，金屬材料電阻的相對變

4、化與應變成正比 R/R=K?(1-6)2. 應變片測試原理使用應變片測量應變或應力時，將應變片牢固地粘貼在彈性試件上，當試件受力變形時，應變片電阻變化 R。如果應用測量電路和儀器測出 R根據(jù)式（1-6 ），可得彈性試件的應變值，而根據(jù)應力一應變關系：（T = E ,（1-7 ）可以得到被測應力值 6。其中E試件材料彈性模量， 6 試件的應力， 試件的應 變。力 T應力 (T T應變 ( = (T /E) T R通過彈性敏感元件的作用，可以將應變片測應變的應用擴展到能引起彈性元件產(chǎn)生應變 的各種非電量的測量，從而構成各種電阻應變式傳感器。3. 應變片的結構，材料和類型金屬電阻應變片的結構，如圖1

5、-2所示，由敏感柵、基底、蓋片、引線和粘結劑組成。圖1-2電阻應變片的基本結構1-基底；1-敏感柵；3-覆蓋層;4-引線1、敏感柵1) 絲式應變片，=0.0120.05mm金屬細絲繞成細狀,柵長=0.2,0.5,1.0,100,200mm 等。2) 箔式應變片，由厚度為0.0030.01mm的金屬箔片制成各種圖形的敏感柵，亦稱應變 花,如圖1-3所示。其優(yōu)點(1) 制造技術能保證敏感柵尺寸準確、線條均勻和適應各種不同測量要求的形狀，其柵 長可做到0.2mm；(2) 敏感柵薄而寬，與被測試件粘貼面積大，黏結牢靠，傳遞試件應變性能好；(3) 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

6、；(4) 橫向效應?。?5) 蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。圖1-3箔式電阻應變片3) 金屬薄膜應變片，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1卩m這種應變片具有比箔式應變片更多的優(yōu)點。4) 敏感柵材料的性能要求：(1) 應變靈敏系數(shù)較大，且在所測應變范圍內(nèi)保持常數(shù)；(2) 電阻率高而穩(wěn)定，便于制造小柵長的應變片；(3) 電阻溫度系數(shù)較小，電阻一溫度間的線性關系和重復性好；(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小；(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。

7、一般為厚度0.020.05mm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線。一般采用 =0.050.1mm的銀銅線、鉻鎳線、卡馬線、鐵鉛絲等，與敏感柵點焊焊接。4、粘結劑作用：將敏感柵固定于基片上，并將蓋片與基底粘結在一起；使用時，用粘結劑將應變片粘貼在試件的某一方向和位置，以便感受試件的應變。粘結劑材料：有機和無機兩大類。粘貼工藝：應變片靜放于試件上，粘貼牢固可靠。4. 金屬電阻應變片的主要特性1、應變片的電阻值（Ro）應變片不受外力作用情況下 ，于室溫條件測定的

8、電阻值 （原始電阻值）,已標準化主要有 60,120,350,600,1000 Q 等各種規(guī)格。2、絕緣電阻敏感柵與基底之間電阻值，一般應大于1010 Qo3、靈敏系數(shù)（K）電阻應變片的電阻一應變特性與金屬絲時不同，須用實驗法對電阻應變片的靈敏系數(shù) K重新測定。測定時將應變片安裝于試件（泊松比=0.285的鋼材）表面，在其軸線方向的單向應力作用下，且保證應變片軸向與主應力軸向一致的條件下，應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區(qū)域的軸向應變之比，即K=（ R/R） /（ 1/1），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變片的靈敏系數(shù)，有時稱“標稱靈敏系 數(shù)”。4、允

9、許電流指不因電流產(chǎn)生的熱量影響測量精度，應變片允許通過的最大電流。靜態(tài)測量時，允許電流一般為25 mA ;動態(tài)測量時，允許電流可達75100 mA o5、橫向效應與橫向靈敏系數(shù)將金屬絲繞成敏感柵構成應變片后，在軸向單向應力作用下，由于敏感柵“橫柵段”（圓弧或直線）上的應變狀態(tài)不同于敏感柵“直線段”上的應變，使應變片敏感柵的電阻變化較相同長度直線金屬絲在單向應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)象稱為應變片的橫向效應。如圖1-4所示。圖1-4 橫向效應（1-11）應當指出，制造廠商在標定應變片的靈敏系數(shù)K時，是按規(guī)定的特定應變場 （單向應力，則會引起一定的場，卩=0.285 ）下

10、進行的，標定出的K值實際上也將橫向效應的影響包括在內(nèi)，只要應變片 在實際使用時，符合特定條件（如平面應力狀態(tài)，或試件的卩工0.285橫向效應誤差，需進行修正。之間應當是一確定，應變片卸載時的 如圖1-5所示；其最大6、機械滯后 應變片粘貼在試件上， 應變片的指示應變 i與試件的機械應變 的關系。但在實際應用時，在加載和卸載過程中，對于同一機械應變 指示應變高于加載時的指示應變，這種現(xiàn)象稱為應變片的機械滯后，差值 m稱為應變片的機械滯后值。7.應變極限對于已粘貼好的應變片， 其應變極限是指在一定溫度下，指示應變 m與受力試件的真實應變 i的相對誤差達到規(guī)定值（一般為10%時的真實應變 j，如圖1

11、-6所示。8 、零漂和蠕變粘貼在試件上的應變片，溫度保持恒定，在試件不受力（即無機械應變）的情況下，其電阻值（即指定應變）隨時間變化的特性稱為應變片的零漂；如果應變片承受恒定機械應變（1000卩S內(nèi)）長時間作用，其指示應變隨時間變化的特性稱為應變片的蠕變。9、動態(tài)特性應變測試中，應變片的指示應變是敏感柵覆蓋面積下的軸向平均應變。靜態(tài)測試時，應變片能正確反映它所處受力試件內(nèi)各點的應變；動態(tài)測試時，應變是以應變波的形式沿應變的敏感柵的長度方向傳播，因而應變片反映的平均應變與瞬時應變有一定差異，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變片，希望它的電阻只隨應變而變，而不受其他因

12、素的影響。實際上，應變片的電阻受環(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）雙金屬敏感柵應變片（組合式自動補償應變片）123 口 筒(b)(c)圖1-7 雙金屬線補償法兩段敏感柵Fa和Rb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。(C)圖1-8電路補償法（2）熱敏電阻電路補償，如圖1-9所示。R電阻也下降

13、，使電橋的輸當溫度升高應變片的靈敏度下降時，負溫度系數(shù)熱敏電阻R,可以使應變片靈敏度下降對電橋入電壓升高，提高電橋的輸出阻抗電壓。選擇分流電阻 輸出影響得到很好的補償。3、測量電路電阻應變式傳感器的測量電路常采用電橋電路。24圖1-10 直流電橋1)直流電橋的主要特性當R時，電橋輸出阻抗電壓當電橋各橋臂均有相應電阻變化=5 R 2, RUo 二UiRi + R2R3 R4R1R4 - R2 R3R1R2 R3R43, R 4 時RR1 R4R4 - R2只2 只3只3R二 RR2二 R2 R3二 R3R4lR4R R R2 R3 R ：R1 R4 一 R2 R3(2R + AR + 心& I2

14、R + AR3 + 占R4 )(當 R=R1 = R 2= Rd= R4)UiR1R2R3R+ I4RRRR(當 R i R)Ui4討論:(1) 當時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系。(2) 若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為兩者之差;若相鄰兩橋臂的應變極性不一致時，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(1)單臂工作電橋，設 R1 = R, R2 = R3 = R4 =0 ,貝U, ar

15、Ui ar 1 二u i4R 2 R 4 R 丄心UiK ； 1 - 1 K ；1 K K ； 2 一 1 K 3_248(1-39 )線性輸出U o =UX4非線性誤差71 1 2 1 3K ； 一一 K ； K ；1 K ;2482(1-40 )差動電橋半橋差動： R1 :=- R := R , R3 = Rj =0，如圖1-14 (a)所示，Ui RUi lxUo-K ；2 R2(1-41)全橋差動： R1 =- Ra =- Rs = Rj = R,如圖1-14(b)所示，RUo二UiUK；R(1-42)4RR丿4IRR丿Uj RUj lxK2R2或圖1-11差動電橋電路差動電橋不僅可以

16、提高輸出電壓，而且還具有溫度補償作用，設溫度變化所引起的附 加應變?yōu)榛蚋郊与娮枳兓?Rt，則半橋差動時 Rl = R + R , Rb = R + Rt ； 1 = + t , 2 = + t ,則Uj AR + AR AR+ARt、U AR AR)Uo1=+i圖1-12串聯(lián)式和并聯(lián)式半橋電路如圖1-12 ,化分別為 R： R2 ：串聯(lián)工作：橋臂由n個阻值為R的應變片串聯(lián)(或并聯(lián))而成，設各電阻應變片電阻變 R3 Rn = R，貝 UR1 =R2 =nR1 1 ；2n=1 AR-i1 也 R r圖1-21 圓箔式應變片c區(qū)域的徑向應變片 R、R4感受膜片式壓力傳感器的應變片一般利用金屬箔作成如

17、圖1-21所示應變花的形式。3、組合式壓力傳感器(圖 1-22)的應變與粘貼在r rc內(nèi)的切向應變片F(xiàn)2、R3感受的應變相等，它們的極性相反，這樣便 于接成差動電橋。(a)結構圖(K)0圖1-22 組合式壓力傳感器3. 電阻應變式加速度傳感器電阻應變式加速度傳感器如圖1-23所示.。(B)振動體圖1-23 應變式加速度傳感器1-質(zhì)量塊；1-應變粱；3-硅油阻尼液；4-應變片；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) 結構：慣性質(zhì)量塊、彈性懸臂梁和電阻應變片組成，如圖1-27( a)所示。2) 原理：加速度質(zhì)量塊慣性作用力 m護懸臂梁變形 t

18、電阻應變片產(chǎn)生電阻變化 R。4. 電阻應變式傳感器應用實例1、基本應用平面膜片式壓力傳感器 圖1-24所示為壓力應變計原理電路。2、手提式數(shù)字電子稱 準S型稱重傳感器如圖圖1-24 壓力應變計1-25所示。測量電路如圖1-2611T(1焉RL p圖1-25準S型稱重傳感器 所示POLB4/C45罷一二立2.0 22呼1MQio kaMT BUF AZ 黑：KX71Q6 COMCflkFSHxr吋敬點dp】(b)手提電子秤電路圖圖 1-26tClOREH HF TEST O6C3 OSC2 曲GNDCC CNb LT4WAL +75VIOjiFL10pF:孑-7.5V圖1-32固態(tài)壓阻式傳感器恒壓工作電路3、壓力控制電路，如圖 1 33所示。圖1-33 壓力控制原理圖*任務實施電子秤的制作、