深圳市卓航自動化(卓航精密)有限公司主要從事于微型測力傳感器，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。服務熱線 ：13510437053

　　電阻應變式稱重傳感器用于靜態(tài)、動態(tài)條件下測力或稱重 , 在我國工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制、自動計量等領域已大量應用。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量準確度的主要因素。在實際使用中 ,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 ,影響電子衡器計量數(shù)據(jù)的準確及穩(wěn)定的運行。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) , 是快速準確地處理電子衡器的故障 , 保證其準確、穩(wěn)定運行的關鍵。

　　1.1傳感器的組成部分

　　稱重傳感器主要由電阻應變片、彈性體、檢測電路三部分組成。應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償問題,其功能是把電阻應變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘栞敵觥?/p>

　　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為應變片電阻; Ui為傳感器的輸入信號;Uo為傳感器的輸出信號。

　　當 R2R4 = R1R3 時,我們稱之為電橋平衡,這時

　　稱重傳感器的輸出電壓Uo = 0mV

　　物料重量通過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變片也隨同產(chǎn)生變形 , 電阻應變片變形后 , 它的阻值將發(fā)生變化 (增大或減小) 。再經(jīng)相應的檢測電路,把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號 (電壓或電流) 輸出 , 從而完成將外力變換為電信號的過程。

　　設R1 = R2 = R3 = R4

　　當受到重力作用后,傳感器的應變片電阻發(fā)生變化,假設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

　　可以推出傳感器的輸出電壓為:

　　Uo = Ui △R / R

　　1.3 應變片的材料選擇

　　電阻應變計主要由電阻敏感珊、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)接測量導線之用。電阻敏感柵可以將應變量轉(zhuǎn)換成電阻變化。應變計結(jié)構(gòu)如圖6所示

　　圖 6 所選應變片結(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制造電阻應變計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—溫度間的線性關系和重復性好，并有足夠的熱穩(wěn)定性;

　　(4)機械強度高，加工性能和焊接性能良好，與引線材料接觸電勢小;

　　(5)電阻變化率與機械應變具有良好而又寬廣的線性關系;

　　(6)抗氧化、腐蝕性能強，無明顯機械滯后。

　　1.5

　　電阻應變式稱重測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。

　　在稱重和測力領域 ,經(jīng)常采用拉壓式和彎曲式應變傳感器 ,該電路在精度和穩(wěn)定性上已達到一定的水平 ,但由于拉壓式稱重測力傳感器的高度直接影響精度和橫向穩(wěn)定性 ,而且力點移動對輸出信號有影響 ,拉壓對稱性差 ,尤其是當安裝條件和標準條件不一致時 ,引起的誤差更難估計。而雙孔梁稱重測力傳感器有零彎矩區(qū) ,高度小 ,對加載方式和受力點移動不敏感 ,且抗偏心、抗側(cè)向力 。而近年來發(fā)展起來的梁式剪切稱重測力傳感器雖然消除了受力點變化對輸出的影響 ,性能優(yōu)良,但彈性體結(jié)構(gòu)復雜 ,貼片也較困難。

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

　　(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)有良好的機械加工和熱處理性能;

　　(5)彈性極限和強度極限要高。

　　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，適當時間后按給定的方位將應變計準確地放在粘貼部位上，而后在應變計上蓋上一層氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一個方向碾壓，擠出氣泡和過量的粘接劑，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行固化處理。

　　貼片時膠層的厚度必須嚴加控制，片基和粘接劑膠層厚度對于減少蠕變有非常重要的影響，并也使粘結(jié)強度增高，更能準確地傳遞試件的應變。在實際工藝過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。

　　貼片之后應進行初步檢查，檢查基底，蓋底有無損壞，敏感柵是否變形，貼片方位是否正確，有無斷路、短路，有無氣泡，有無局部未貼牢，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電阻應變敏感元件和彈性元件不受周圍化學活性介質(zhì)的影響，同時固定引線等。對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)境下長期使用時的精度。

　　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，在此過程中一定得注意焊接必須可靠，否則會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，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，一端與應變敏感元件的引出線焊接，另一端接插頭或焊接測量導線。

　　1.8

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

　　(1)彈性元件電阻應變計應變粘結(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變計基底和應變粘結(jié)劑底膜的厚度不同在環(huán)境溫度發(fā)生變化時都會產(chǎn)生不同程度的熱脹冷縮使電阻應變計敏感柵仁, 長或縮短引起電阻值變化

　　(2)電阻應變計敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)不為零各電阻應變計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引起電阻的改變

　　(3)由于各電阻應變計的引出線及連接導線的長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之間存在著較小的熱電勢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等影響。雖然比上述各項影響小但也會使電阻值稍有變化。

　　對于這些誤差，在橋路設計以及后續(xù)電路設計中已經(jīng)采取相應措施。

　　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、下壓墊的設計，都必須保證受載后在結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生性能波動，或性能波動很小。為此在稱重傳感器設計時，應盡量作到應變區(qū)受力單一，應力均勻一致;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;安裝力遠離應變區(qū)，測量時應避免載荷支承點的位移。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)性能和長期穩(wěn)定性，盡可能將它設計成一個整體結(jié)構(gòu)。

　　(2)機械加工與熱處理工藝

　　彈性元件在機械加工過程中，由于表面變形的不均勻產(chǎn)生較大的殘余應力，切削用量越大，殘余應力就越大，磨削加工產(chǎn)生的殘余應力最大。因此應制訂合理的加工工藝和規(guī)定適當?shù)那邢饔昧?。彈性元件在熱處理過程中，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力，其芯部為拉應力，表層為壓應力。必須通過回火處理工藝，在其內(nèi)部產(chǎn)生方向相反的應力，與殘余應力相互抵消，減少殘余應力的影響。

　　(3)電阻應變計與應變粘結(jié)劑

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

　　應變粘結(jié)劑應具有粘結(jié)強度大，抗剪強度高;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;固化時膠層體積收縮小等。粘貼電阻應變計時一定要嚴格控制膠層厚度，因為粘結(jié)強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力才能變形，不易產(chǎn)生流動和蠕變，界面上的內(nèi)應力很小，產(chǎn)生氣泡和缺陷的幾率也比較小，應變傳遞性能好，只要防護密封合理就可達到較高的穩(wěn)定性水平。

　　(4)制造工藝流程

　　應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，人為的因素對稱重傳感器的質(zhì)量影響較大。因此必須制訂科學合理并可重復的制造工藝流程，并在其中增加電子計算機控制的自動化或半自動化工序，盡量減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

　　(5)電路補償與調(diào)整

　　應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達不到設計要求，因此必須進行各項電路補償與調(diào)整，提高稱重傳感器本身的穩(wěn)定性和對外部環(huán)境條件的穩(wěn)定性。完善而精細的電路補償工藝，是提高稱重傳感器穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。

　　(7)防護與密封

　　防護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)境和感應環(huán)境影響而能穩(wěn)定可靠工作的根本保障。如果防護密封不良，粘貼在彈性元件上的電阻應變計及應變粘結(jié)劑膠層，都會吸收空氣中的水分而產(chǎn)生增塑，造成粘結(jié)強度和剛度下降，引起零點漂移和輸出無規(guī)律變化，直至稱重傳感器失效。因此有效的防護密封是稱重傳感器長期穩(wěn)定工作的根本保證，否則將使各項工藝成果前功盡棄。

　　(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，模擬使用條件進行有效的人工老煉試驗，盡量多的釋放殘余應力使其性能波動減至最小。

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