电阻应变式传感器的测量电路.doc

　　 图1 电子秤平剖图　　1 台面壳体 ２ 均压框架 ３ 电阻应变片 ４ 弹性体５ 补偿电阻 ６ 可调支撑脚 ７ 底座 如图１所示，底座通过贴有电阻应变片的双孔型等强度弹性体梁与均压框架相接，均压框架用螺钉与壳体相联。弹性体是应变式力传感器将力转换为应变量的关键部件。研究结果表明，双孔梁弹性体按刚架计算比按平行梁计算精确，而且桥路输出和载荷之间的线形好、灵敏度高。非线性和灵敏度与竖梁的长度和刚度无关。由于采用陶材料设计制作弹性梁，其灵敏度结构系数不仅取决于弹性体结构形式和应变区的选择，而且和陶瓷材料的微结构、质量及机械强度等因素密切相关。为此，进行了双孔梁的应力分析、抗冲击载荷分析、额定载荷计量等，并用计算机进行了有限元分析。经模拟验证分析，选用图1a所示的双孔梁结构形式。该梁的应力分布均匀对称，其应力最大点在弹性梁的最薄偏离两端处。　　根据图1a所示的结构形式： 　　　ε＝M／W．E　　　（1） 式中：ε为应变量；M为弯矩；W为抗弯模数；E为模量。　　对于这类应变式弹性体上的全等臂电桥，其输出电压V0和桥压Vi有如下关系： 　　　V0＝GF．ε．Vi　　　（2） 式中：GF为应变电阻的应变系数。将式（1）代入式（2），可得： 　　　V0＝GF．M．Vi／W．E　　　（3） 　　对于矩形截面， W＝1／6b．h2 式中：b为弹性体承载面宽度；h为弹性体承载梁厚度。　　由A—A剖面分析，负荷F必须由一对剪力F／2与之平衡。若取一应变电阻进行分析，F／2对应变电阻中心点的弯距为M0： 　　　M0＝F（L／2－X）／2　　　（4） 　　以式（4）代入式（3），可得： 　　　V0＝3F（L／2－X）GF．Vi／b．h2．E　　　（5） 　　由式（5）可见，双孔梁的桥路输出和载荷F之间具有良好的线形，而且灵敏度高。 接直流电源E： 图2.6 传感器结构原理图 当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。 当忽略电源的内阻时，由分压原理有： = （2.2）（2.3） =0，即电桥平衡。式（2.3）称平衡条件。 应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。 若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.2） (2.4) 常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。 常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。 电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，因此测量时必须要注意。其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是： 电阻丝温度系数引起的。 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。 对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。?滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。 测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uout＝KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。 前置大器部分 经由传