称重传感器的设计原理

　　深圳市卓航自动化(卓航精密)有限公司主要从事于微型测力传感器，高精度称重传感器，S型传感器，悬臂梁传感器，多维力传感器，张力传感器，变送器，控制仪表的研发生产及提供系统工程控制的解决方案。服务热线 ：13510437053

　　电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重 , 在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。它是电子衡器的核心部件。它的质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。在实际使用中 ,由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响 , 很容易发生故障 ,影响电子衡器计量数据的准确及稳定的运行。因此 ,了解称重传感器的基本原理及故障原因 , 熟练掌握故障的分析判断技术 , 是快速准确地处理电子衡器的故障 , 保证其准确、稳定运行的关键。

　　1.1传感器的组成部分

　　称重传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。应变片是一种传感元件,它的作用是将变形转变成电阻变化;弹性体是一个有特殊形状的结构件,它的主要作用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。

　　1.2 工作原理

　　称重传感器的基本电路如图1所示

　　可以推出:

　　式中R1、R2、R3、R4为应变片电阻; Ui为传感器的输入信号;Uo为传感器的输出信号。

　　当 R2R4 = R1R3 时,我们称之为电桥平衡,这时

　　称重传感器的输出电压Uo = 0mV

　　物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器 , 称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形 , 使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形 , 电阻应变片变形后 , 它的阻值将发生变化 (增大或减小) 。再经相应的检测电路,把这一电阻变化转换为电信号 (电压或电流) 输出 , 从而完成将外力变换为电信号的过程。

　　设R1 = R2 = R3 = R4

　　当受到重力作用后,传感器的应变片电阻发生变化,假设各桥臂阻值变化相同,变量为△R, 即:R1 R3 分别减小△R,R2 R4分别增大△R时

　　可以推出传感器的输出电压为:

　　Uo = Ui △R / R

　　1.3 应变片的材料选择

　　电阻应变计主要由电阻敏感珊、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感栅和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。应变计结构如图6所示

　　图 6 所选应变片结构图

　　1—覆盖层 2—基底 3—引线 4—粘合剂 5—敏感栅

　　1.4

　　敏感栅合金材料的选择对制造电阻应变计性能好坏起着决定性的作用，因此它的材料选择要求如下：

　　(1)有较高的灵敏系数，并且在较大的应用范围内保持不变;

　　(2)有高的和稳定的电阻率;

　　(3)电阻温度系数小，电阻—温度间的线性关系和重复性好，并有足够的热稳定性;

　　(4)机械强度高，加工性能和焊接性能良好，与引线材料接触电势小;

　　(5)电阻变化率与机械应变具有良好而又宽广的线性关系;

　　(6)抗氧化、腐蚀性能强，无明显机械滞后。

　　1.5

　　电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式柱式、筒式和环式、弯曲式梁式和剪切式三大类。

　　在称重和测力领域 ,经常采用拉压式和弯曲式应变传感器 ,该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平 ,但由于拉压式称重测力传感器的高度直接影响精度和横向稳定性 ,而且力点移动对输出信号有影响 ,拉压对称性差 ,尤其是当安装条件和标准条件不一致时 ,引起的误差更难估计。而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区 ,高度小 ,对加载方式和受力点移动不敏感 ,且抗偏心、抗侧向力 。而近年来发展起来的梁式剪切称重测力传感器虽然消除了受力点变化对输出的影响 ,性能优良,但弹性体结构复杂 ,贴片也较困难。

　　在任何情况下，弹性敏感元件应该保证具有好的弹性特性、足够的精度和稳定性，在长期使用中和温度变化时，都应保持稳定的特性，因而对材料的基本要求有以下几个方面：

　　(1)弹性滞后和弹性后效要小;

　　(2)弹性模量的温度系数要小;

　　(3)线膨胀系数要小并且要稳定;

　　(4)有良好的机械加工和热处理性能;

　　(5)弹性极限和强度极限要高。

　　1.6

　　在处理好底层的弹性元件上，划好贴片的定位线，经清洗和干燥后，在贴片处均匀地涂一层贴片胶，适当时间后按给定的方位将应变计准确地放在粘贴部位上，而后在应变计上盖上一层氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一个方向碾压，挤出气泡和过量的粘接剂，保证胶层薄而均匀。然后在上面放一块硅橡胶并用夹具夹紧放入干燥箱进行固化处理。

　　贴片时胶层的厚度必须严加控制，片基和粘接剂胶层厚度对于减少蠕变有非常重要的影响，并也使粘结强度增高，更能准确地传递试件的应变。在实际工艺过程中胶层的厚度还受到其它因素的限制，例如绝缘电阻，因而也下能无限制地薄，否则将降低其绝缘电阻造成传感器性能不稳定。

　　贴片之后应进行初步检查，检查基底，盖底有无损坏，敏感栅是否变形，贴片方位是否正确，有无断路、短路，有无气泡，有无局部未贴牢，贴片后电阻值变化不能太大(一般变化不大于±0.5Ω)等。

　　1.7

　　传感器封装是为了保护电阻应变敏感元件和弹性元件不受周围化学活性介质的影响，同时固定引线等。对于易受湿度影响的传感器，我们采用密封装置，这样才可以保证该传感器在灰尘、腐蚀气体等环境下长期使用时的精度。

　　具体密封方法是：采用柔软、弹性模量不变的橡胶波纹膜或金属波纹膜将应变敏感元件及弹性元件与外界隔离;采用材料与弹性元件具有相同线膨胀系数或采用相同材料作为外壳，通过电子束焊或激光焊将弹性元件上的膜片焊接在外壳上，并在其中冲入惰性气体，在此过程中一定得注意焊接必须可靠，否则会由于密封失灵和膜片支承变化造成传感器灵敏度的变化。同时，接线插座或电缆线需要密封，方法是采用绝缘材料将接线插座或电缆铸在里面，一端与应变敏感元件的引出线焊接，另一端接插头或焊接测量导线。

　　1.8

　　称重传感器在无外载荷作用时的输出称为零点输出零点输出受环境温度的影响随环境温度的变化而变化，这称之为零点温度漂移引起称重传感器零点温度漂移的因素，产生此温度漂移的原因：

　　(1)弹性元件电阻应变计应变粘结剂的单线膨胀系数不同 弹性元件的纵向和横向膨胀率不同电阻应变计基底和应变粘结剂底膜的厚度不同在环境温度发生变化时都会产生不同程度的热胀冷缩使电阻应变计敏感栅仁, 长或缩短引起电阻值变化

　　(2)电阻应变计敏感栅材料的电阻温度系数不为零各电阻应变计之间又有一定的分散度而且敏感栅材料的电阻率也随环境温度而变化这都会引起电阻的改变

　　(3)由于各电阻应变计的引出线及连接导线的长度不同温度变化可引起电桥导线的电阻变化

　　(4)不同材料如康铜镍等焊点之间存在着较小的热电势也可以引起电阻变化

　　(5)弹性元件与外壳的温度系数不同弹性元件曲率的影响大气压波动等影响。虽然比上述各项影响小但也会使电阻值稍有变化。

　　对于这些误差，在桥路设计以及后续电路设计中已经采取相应措施。

　　另外，影响称重传感器稳定性的因素主要有：

　　(1)称重传感器的结构

　　称重传感器的弹性元件、外壳、膜片及上压头、下压垫的设计，都必须保证受载后在结构上不产生性能波动，或性能波动很小。为此在称重传感器设计时，应尽量作到应变区受力单一，应力均匀一致;贴片部位最好为平面;在结构上保证具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力;安装力远离应变区，测量时应避免载荷支承点的位移。尽管称重传感器属于装配制造产品，但为了保证具有最佳技术性能和长期稳定性，尽可能将它设计成一个整体结构。

　　(2)机械加工与热处理工艺

　　弹性元件在机械加工过程中，由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力，切削用量越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力最大。因此应制订合理的加工工艺和规定适当的切削用量。弹性元件在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和金属材料相变等原因，在芯部和表层产生方向不同的残余应力，其芯部为拉应力，表层为压应力。必须通过回火处理工艺，在其内部产生方向相反的应力，与残余应力相互抵消，减少残余应力的影响。

　　(3)电阻应变计与应变粘结剂

　　电阻应变计应具有最佳性能，要求灵敏系数稳定性好，热输出小，机械滞后和蠕变小，应变量为1500×10-6时疲劳寿命可达108.电阻值偏差小，批次质量均一性好等。

　　应变粘结剂应具有粘结强度大，抗剪强度高;弹性模量较大且稳定;电绝缘性能好;具有与弹性元件相同或相近的热膨胀系数;蠕变和滞后小;固化时胶层体积收缩小等。粘贴电阻应变计时一定要严格控制胶层厚度，因为粘结强度随胶层厚度的增加而降低。这是由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面上的内应力很小，产生气泡和缺陷的几率也比较小，应变传递性能好，只要防护密封合理就可达到较高的稳定性水平。

　　(4)制造工艺流程

　　应变式称重传感器的工作原理和总体结构决定了，在生产工艺流程中有些工序必须手工操作，人为的因素对称重传感器的质量影响较大。因此必须制订科学合理并可重复的制造工艺流程，并在其中增加电子计算机控制的自动化或半自动化工序，尽量减少人为因素对产品质量的影响。

　　(5)电路补偿与调整

　　应变式称重传感器属于装配制造，贴片组桥后就形成了产品，由于内部不可避免的产生一些缺陷和外界环境条件的影响，称重传感器的某些性能指标达不到设计要求，因此必须进行各项电路补偿与调整，提高称重传感器本身的稳定性和对外部环境条件的稳定性。完善而精细的电路补偿工艺，是提高称重传感器稳定性的重要环节。

　　(7)防护与密封

　　防护与密封是称重传感器制造工艺流程中的要害工序，是称重传感器耐受客观环境和感应环境影响而能稳定可靠工作的根本保障。如果防护密封不良，粘贴在弹性元件上的电阻应变计及应变粘结剂胶层，都会吸收空气中的水分而产生增塑，造成粘结强度和刚度下降，引起零点漂移和输出无规律变化，直至称重传感器失效。因此有效的防护密封是称重传感器长期稳定工作的根本保证，否则将使各项工艺成果前功尽弃。

　　(8)稳定性处理

　　提高称重传感器的稳定性除处理好上述各种因素的影响外，最重要的途径就是采取各种技术措施和工艺手段，模拟使用条件进行有效的人工老炼试验，尽量多的释放残余应力使其性能波动减至最小。

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