深圳市卓航自動(dòng)化(卓航精密)有限公司主要從事于微型測(cè)力傳感器，高精度稱重傳感器，S型傳感器，懸臂梁傳感器，多維力傳感器，張力傳感器，變送器，控制儀表的研發(fā)生產(chǎn)及提供系統(tǒng)工程控制的解決方案。服務(wù)熱線 ：13510437053

　　電阻應(yīng)變式稱重傳感器用于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)條件下測(cè)力或稱重 , 在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)與控制、自動(dòng)計(jì)量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。它是電子衡器的核心部件。它的質(zhì)量好壞是影響電子衡器計(jì)量準(zhǔn)確度的主要因素。在實(shí)際使用中 ,由于受到原材料及制造工藝、安裝方法、使用條件及外部環(huán)境的影響 , 很容易發(fā)生故障 ,影響電子衡器計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及穩(wěn)定的運(yùn)行。因此 ,了解稱重傳感器的基本原理及故障原因 , 熟練掌握故障的分析判斷技術(shù) , 是快速準(zhǔn)確地處理電子衡器的故障 , 保證其準(zhǔn)確、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

　　1.1傳感器的組成部分

　　稱重傳感器主要由電阻應(yīng)變片、彈性體、檢測(cè)電路三部分組成。應(yīng)變片是一種傳感元件,它的作用是將變形轉(zhuǎn)變成電阻變化;彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件,它的主要作用是將力轉(zhuǎn)換為形變;檢測(cè)電路的主要部件是惠斯登電橋,它可以比較方便地解決稱重傳感器的補(bǔ)償問(wèn)題,其功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)輸出。

　　1.2 工作原理

　　稱重傳感器的基本電路如圖1所示

　　可以推出:

　　式中R1、R2、R3、R4為應(yīng)變片電阻; Ui為傳感器的輸入信號(hào);Uo為傳感器的輸出信號(hào)。

　　當(dāng) R2R4 = R1R3 時(shí),我們稱之為電橋平衡,這時(shí)

　　稱重傳感器的輸出電壓Uo = 0mV

　　物料重量通過(guò)電子衡器的秤體或料斗作用于稱重傳感器 , 稱重傳感器的彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形 , 使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形 , 電阻應(yīng)變片變形后 , 它的阻值將發(fā)生變化 (增大或減小) 。再經(jīng)相應(yīng)的檢測(cè)電路,把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào) (電壓或電流) 輸出 , 從而完成將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。

　　設(shè)R1 = R2 = R3 = R4

　　當(dāng)受到重力作用后,傳感器的應(yīng)變片電阻發(fā)生變化,假設(shè)各橋臂阻值變化相同,變量為△R, 即:R1 R3 分別減小△R,R2 R4分別增大△R時(shí)

　　可以推出傳感器的輸出電壓為:

　　Uo = Ui △R / R

　　1.3 應(yīng)變片的材料選擇

　　電阻應(yīng)變計(jì)主要由電阻敏感珊、基底和面膠(或覆蓋層)、粘結(jié)劑、引出線五部分組成?；资菍鞲衅鲝椥泽w表面的應(yīng)變傳遞到電阻敏感柵上的中間介質(zhì)，并起到敏感柵和彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護(hù)敏感柵的作用，粘結(jié)劑是將敏感柵和基底粘接在一起，引出線是作為聯(lián)接測(cè)量導(dǎo)線之用。電阻敏感柵可以將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示

　　圖 6 所選應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

　　1—覆蓋層 2—基底 3—引線 4—粘合劑 5—敏感柵

　　1.4

　　敏感柵合金材料的選擇對(duì)制造電阻應(yīng)變計(jì)性能好壞起著決定性的作用，因此它的材料選擇要求如下：

　　(1)有較高的靈敏系數(shù)，并且在較大的應(yīng)用范圍內(nèi)保持不變;

　　(2)有高的和穩(wěn)定的電阻率;

　　(3)電阻溫度系數(shù)小，電阻—溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好，并有足夠的熱穩(wěn)定性;

　　(4)機(jī)械強(qiáng)度高，加工性能和焊接性能良好，與引線材料接觸電勢(shì)小;

　　(5)電阻變化率與機(jī)械應(yīng)變具有良好而又寬廣的線性關(guān)系;

　　(6)抗氧化、腐蝕性能強(qiáng)，無(wú)明顯機(jī)械滯后。

　　1.5

　　電阻應(yīng)變式稱重測(cè)力傳感器按照彈性元件的受力狀態(tài)可分為拉壓式柱式、筒式和環(huán)式、彎曲式梁式和剪切式三大類。

　　在稱重和測(cè)力領(lǐng)域 ,經(jīng)常采用拉壓式和彎曲式應(yīng)變傳感器 ,該電路在精度和穩(wěn)定性上已達(dá)到一定的水平 ,但由于拉壓式稱重測(cè)力傳感器的高度直接影響精度和橫向穩(wěn)定性 ,而且力點(diǎn)移動(dòng)對(duì)輸出信號(hào)有影響 ,拉壓對(duì)稱性差 ,尤其是當(dāng)安裝條件和標(biāo)準(zhǔn)條件不一致時(shí) ,引起的誤差更難估計(jì)。而雙孔梁稱重測(cè)力傳感器有零彎矩區(qū) ,高度小 ,對(duì)加載方式和受力點(diǎn)移動(dòng)不敏感 ,且抗偏心、抗側(cè)向力 。而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的梁式剪切稱重測(cè)力傳感器雖然消除了受力點(diǎn)變化對(duì)輸出的影響 ,性能優(yōu)良,但彈性體結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,貼片也較困難。

　　在任何情況下，彈性敏感元件應(yīng)該保證具有好的彈性特性、足夠的精度和穩(wěn)定性，在長(zhǎng)期使用中和溫度變化時(shí)，都應(yīng)保持穩(wěn)定的特性，因而對(duì)材料的基本要求有以下幾個(gè)方面：

　　(1)彈性滯后和彈性后效要小;

　　(2)彈性模量的溫度系數(shù)要小;

　　(3)線膨脹系數(shù)要小并且要穩(wěn)定;

　　(4)有良好的機(jī)械加工和熱處理性能;

　　(5)彈性極限和強(qiáng)度極限要高。

　　1.6

　　在處理好底層的彈性元件上，劃好貼片的定位線，經(jīng)清洗和干燥后，在貼片處均勻地涂一層貼片膠，適當(dāng)時(shí)間后按給定的方位將應(yīng)變計(jì)準(zhǔn)確地放在粘貼部位上，而后在應(yīng)變計(jì)上蓋上一層氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一個(gè)方向碾壓，擠出氣泡和過(guò)量的粘接劑，保證膠層薄而均勻。然后在上面放一塊硅橡膠并用夾具夾緊放入干燥箱進(jìn)行固化處理。

　　貼片時(shí)膠層的厚度必須嚴(yán)加控制，片基和粘接劑膠層厚度對(duì)于減少蠕變有非常重要的影響，并也使粘結(jié)強(qiáng)度增高，更能準(zhǔn)確地傳遞試件的應(yīng)變。在實(shí)際工藝過(guò)程中膠層的厚度還受到其它因素的限制，例如絕緣電阻，因而也下能無(wú)限制地薄，否則將降低其絕緣電阻造成傳感器性能不穩(wěn)定。

　　貼片之后應(yīng)進(jìn)行初步檢查，檢查基底，蓋底有無(wú)損壞，敏感柵是否變形，貼片方位是否正確，有無(wú)斷路、短路，有無(wú)氣泡，有無(wú)局部未貼牢，貼片后電阻值變化不能太大(一般變化不大于±0.5Ω)等。

　　1.7

　　傳感器封裝是為了保護(hù)電阻應(yīng)變敏感元件和彈性元件不受周圍化學(xué)活性介質(zhì)的影響，同時(shí)固定引線等。對(duì)于易受濕度影響的傳感器，我們采用密封裝置，這樣才可以保證該傳感器在灰塵、腐蝕氣體等環(huán)境下長(zhǎng)期使用時(shí)的精度。

　　具體密封方法是：采用柔軟、彈性模量不變的橡膠波紋膜或金屬波紋膜將應(yīng)變敏感元件及彈性元件與外界隔離;采用材料與彈性元件具有相同線膨脹系數(shù)或采用相同材料作為外殼，通過(guò)電子束焊或激光焊將彈性元件上的膜片焊接在外殼上，并在其中沖入惰性氣體，在此過(guò)程中一定得注意焊接必須可靠，否則會(huì)由于密封失靈和膜片支承變化造成傳感器靈敏度的變化。同時(shí)，接線插座或電纜線需要密封，方法是采用絕緣材料將接線插座或電纜鑄在里面，一端與應(yīng)變敏感元件的引出線焊接，另一端接插頭或焊接測(cè)量導(dǎo)線。

　　1.8

　　稱重傳感器在無(wú)外載荷作用時(shí)的輸出稱為零點(diǎn)輸出零點(diǎn)輸出受環(huán)境溫度的影響隨環(huán)境溫度的變化而變化，這稱之為零點(diǎn)溫度漂移引起稱重傳感器零點(diǎn)溫度漂移的因素，產(chǎn)生此溫度漂移的原因：

　　(1)彈性元件電阻應(yīng)變計(jì)應(yīng)變粘結(jié)劑的單線膨脹系數(shù)不同 彈性元件的縱向和橫向膨脹率不同電阻應(yīng)變計(jì)基底和應(yīng)變粘結(jié)劑底膜的厚度不同在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱脹冷縮使電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵仁, 長(zhǎng)或縮短引起電阻值變化

　　(2)電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)不為零各電阻應(yīng)變計(jì)之間又有一定的分散度而且敏感柵材料的電阻率也隨環(huán)境溫度而變化這都會(huì)引起電阻的改變

　　(3)由于各電阻應(yīng)變計(jì)的引出線及連接導(dǎo)線的長(zhǎng)度不同溫度變化可引起電橋?qū)Ь€的電阻變化

　　(4)不同材料如康銅鎳等焊點(diǎn)之間存在著較小的熱電勢(shì)也可以引起電阻變化

　　(5)彈性元件與外殼的溫度系數(shù)不同彈性元件曲率的影響大氣壓波動(dòng)等影響。雖然比上述各項(xiàng)影響小但也會(huì)使電阻值稍有變化。

　　對(duì)于這些誤差，在橋路設(shè)計(jì)以及后續(xù)電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)采取相應(yīng)措施。

　　另外，影響稱重傳感器穩(wěn)定性的因素主要有：

　　(1)稱重傳感器的結(jié)構(gòu)

　　稱重傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設(shè)計(jì)，都必須保證受載后在結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生性能波動(dòng)，或性能波動(dòng)很小。為此在稱重傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量作到應(yīng)變區(qū)受力單一，應(yīng)力均勻一致;貼片部位最好為平面;在結(jié)構(gòu)上保證具有一定的抗偏心載荷和側(cè)向載荷的能力;安裝力遠(yuǎn)離應(yīng)變區(qū)，測(cè)量時(shí)應(yīng)避免載荷支承點(diǎn)的位移。盡管稱重傳感器屬于裝配制造產(chǎn)品，但為了保證具有最佳技術(shù)性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，盡可能將它設(shè)計(jì)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

　　(2)機(jī)械加工與熱處理工藝

　　彈性元件在機(jī)械加工過(guò)程中，由于表面變形的不均勻產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，切削用量越大，殘余應(yīng)力就越大，磨削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大。因此應(yīng)制訂合理的加工工藝和規(guī)定適當(dāng)?shù)那邢饔昧?。彈性元件在熱處理過(guò)程中，由于冷卻溫度不均勻和金屬材料相變等原因，在芯部和表層產(chǎn)生方向不同的殘余應(yīng)力，其芯部為拉應(yīng)力，表層為壓應(yīng)力。必須通過(guò)回火處理工藝，在其內(nèi)部產(chǎn)生方向相反的應(yīng)力，與殘余應(yīng)力相互抵消，減少殘余應(yīng)力的影響。

　　(3)電阻應(yīng)變計(jì)與應(yīng)變粘結(jié)劑

　　電阻應(yīng)變計(jì)應(yīng)具有最佳性能，要求靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，熱輸出小，機(jī)械滯后和蠕變小，應(yīng)變量為1500×10-6時(shí)疲勞壽命可達(dá)108.電阻值偏差小，批次質(zhì)量均一性好等。

　　應(yīng)變粘結(jié)劑應(yīng)具有粘結(jié)強(qiáng)度大，抗剪強(qiáng)度高;彈性模量較大且穩(wěn)定;電絕緣性能好;具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹系數(shù);蠕變和滯后小;固化時(shí)膠層體積收縮小等。粘貼電阻應(yīng)變計(jì)時(shí)一定要嚴(yán)格控制膠層厚度，因?yàn)檎辰Y(jié)強(qiáng)度隨膠層厚度的增加而降低。這是由于薄的膠層需要更大的應(yīng)力才能變形，不易產(chǎn)生流動(dòng)和蠕變，界面上的內(nèi)應(yīng)力很小，產(chǎn)生氣泡和缺陷的幾率也比較小，應(yīng)變傳遞性能好，只要防護(hù)密封合理就可達(dá)到較高的穩(wěn)定性水平。

　　(4)制造工藝流程

　　應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理和總體結(jié)構(gòu)決定了，在生產(chǎn)工藝流程中有些工序必須手工操作，人為的因素對(duì)稱重傳感器的質(zhì)量影響較大。因此必須制訂科學(xué)合理并可重復(fù)的制造工藝流程，并在其中增加電子計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化或半自動(dòng)化工序，盡量減少人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

　　(5)電路補(bǔ)償與調(diào)整

　　應(yīng)變式稱重傳感器屬于裝配制造，貼片組橋后就形成了產(chǎn)品，由于內(nèi)部不可避免的產(chǎn)生一些缺陷和外界環(huán)境條件的影響，稱重傳感器的某些性能指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此必須進(jìn)行各項(xiàng)電路補(bǔ)償與調(diào)整，提高稱重傳感器本身的穩(wěn)定性和對(duì)外部環(huán)境條件的穩(wěn)定性。完善而精細(xì)的電路補(bǔ)償工藝，是提高稱重傳感器穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。

　　(7)防護(hù)與密封

　　防護(hù)與密封是稱重傳感器制造工藝流程中的要害工序，是稱重傳感器耐受客觀環(huán)境和感應(yīng)環(huán)境影響而能穩(wěn)定可靠工作的根本保障。如果防護(hù)密封不良，粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計(jì)及應(yīng)變粘結(jié)劑膠層，都會(huì)吸收空氣中的水分而產(chǎn)生增塑，造成粘結(jié)強(qiáng)度和剛度下降，引起零點(diǎn)漂移和輸出無(wú)規(guī)律變化，直至稱重傳感器失效。因此有效的防護(hù)密封是稱重傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的根本保證，否則將使各項(xiàng)工藝成果前功盡棄。

　　(8)穩(wěn)定性處理

　　提高稱重傳感器的穩(wěn)定性除處理好上述各種因素的影響外，最重要的途徑就是采取各種技術(shù)措施和工藝手段，模擬使用條件進(jìn)行有效的人工老煉試驗(yàn)，盡量多的釋放殘余應(yīng)力使其性能波動(dòng)減至最小。

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