称重传感器理论知识

第一节   传感器知识简介

一、什么是传感器？

传感器是将被测的某一物理量（或信号）按一定的规律转换为与其对应的另一种（或同种）物理量（或信号）输出的装置。

被测物理量       传感器        输出物理量

被测物理量

一般为非电物理量，如力、压力、重量、力矩、位移、速度、温度、角度、高度  

输出物理量

一般为易于精确处理的电量或电参量，如电流、电压、电阻、电感、频率。。。

二、传感器的分类

三、传感器发展方向

高精度、高灵敏度；

高可靠性、宽温度范围、抗干扰强；

微型化（小尺寸、重量轻）和高强度；

微功耗及无源化；

智能化、数字化、高响应速率；

互换性好，成本低，安全无污染方向；

抗环境影响(热、振动、酸、碱、水、空气)能力强方向

8、仿生传感器：将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：

1、光敏——视觉；       2、声敏——听觉；

3、气敏——嗅觉；       4、化学——味觉；

5、压敏、温敏、流体传感器——触觉

第二节   称重传感器工作原理

一、称重传感器的基本知识

1、定义：GB/T7551-2008《称重传感器》

  考虑到使用地点的重力加速度（g）和空气浮力（f）的影响后，通过把其中一种被测量（质量）转换成另外一种被测量（输出）来测量质量的力传感器。

被测量（质量）       称重传感器       输出

2、组成

敏感元件+传感元件+测量电路

其中：敏感元件——弹性体；

传感元件——电阻应变计；

测量电路——惠斯通电桥

二、电阻应变计工作原理

以金属材料为转换元件的电阻应变计，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻——应变效应。

所谓应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。如下图所示：

1、受力前（F=0）电阻值

R=ρ。L/S                          （1）

式中R——金属丝的电阻（Ω）；

ρ——金属丝的电阻率（Ω*M）；

L——金属丝的长度（m）；

S——金属丝的横截面积（m2）（πD2/4）

D——金属丝的直径（m）

2、受力后（F＞0）电阻变化值

⊿R=R*Kε                         （2）

式中⊿R——电阻变化量；

R——原始电阻值；

K——应变计的灵敏系数；

ε——轴向应变

结论：金属丝拉伸，电阻值增加；

     金属丝压缩，电阻值减小

3、几种常见的电阻应变计外形

5、我公司常用应变计的阻值（Ω） 350；700；1000 

 三、称重传感器的工作原理 

 1、两个典型的力学模型

当F＞0时，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被压缩，阻值减小。

2、惠斯顿电桥

在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯顿电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。

电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当Ui为直流时该电桥为直流电桥。电桥电路如上图所示，它的四个桥臂由R₁、R₂、R₃、R₄组成。

当R₁=R₂=R₃=R₄时，称为等臂电桥；

当（R₁=R₂）≠（R₃=R₄）时，称为对输出对称电桥；（也称卧式桥）

当（R₁=R₄）≠（R₂=R₃）时，称为对电源对称电桥（也称立式桥）

1）、直流电桥的电压输出

根据分压原理，从D-A-C半桥来看，从D经A到C的电压降为Ui，通过R1、R2的电流

I₁=U_i/（R1+R2）                         （1）

R2上的电压降为I₁R2，代入（1）得

U_AC=U_i*R2/（R1+R2）                    （2）

同样，D-B-C半桥的电压降也是Ui，R3上的电压降为：

U_BC=U_i*R3/（R3+R4）                    （3）

则输出电压U_O是U_BC与U_AC之间的差，即

由（4）可知，当桥臂电阻满足如下条件时，即

R₁R₃=R₂R₄                       （5）

电桥的输出电压UO=0，电桥处于平衡状态。

为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（置零），这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。

2）、按上述力学模型解释：

当F=0时，R₁R₃=R₂R₄；U₀=0；

当F＞0时，R₁、R₃增加，R₂、R₄减小，U₀＞0。

若欲得到与上述电信号相反的结果时，只需将A与C（或B与D）之间的电源正、负极互换即可。

3）、当桥臂电阻的阻值发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化，当⊿R<<R时，其输出电压与电阻变化率⊿R/R（或应变ε）成线性关系。