电阻应变式称重传感器的原理和补偿

称 重 传 感 器 原 理 及 补 偿 赛 多 利 斯 科 学 仪 器 高 翠 翠load cell principle and compensation circuit Sartorius instrument BJ. gaocuicui 主 要 内 容 （ content）n 电 阻 应 变 式 称 重 传 感 器 的 原 理 (LC-principle) 电 阻 应 变 式 称 重 传 感 器 的 结 构 ； (LC structure) 应 变 计 原 理 介 绍 ； (resistance strain gauge) 组 桥 测 量 原 理 。 (principle of the measuring bridge)n 称 重 传 感 器 的 电 路 补 偿 (compensation circuit) 零 点 温 度 补 偿 (Temperature zero-point adjustment ) 零 点 输 出 补 偿 (zero-point adjustment) 灵 敏 度 温 度 补 偿 （ Temperature sensitivity adjustment） 灵 敏 度 标 准 化 调 整 (sensitivity adjustment) 输 出 电 阻 标 准 化 调 整 (output resistance adjustment) 输 入 电 阻 标 准 化 调 整 (input resistance adjustment) n 电 阻 应 变 式 称 重 传 感 器 （ LC-principle） 基 本 结 构 (Structure) 称 重 传 感 器 ： 将 物 体 的 质 量 转 化 为 电 信 号 。 力 电 转 换 电 阻 应 变 传 感 器 由 1)弹 性 体 ， 2)电 阻 应 变 片 ， 3)补 偿 元 件 ， 4)密封 材 料 等 组 成 。 3) 4) 2) 1) 称 重 传 感 器 电 阻 应 变 片铜 电 阻应 变 计 应 变 计 应 变 计应 变 计镍 电 阻铜 电 阻 电 阻 应 变 式 传 感 器 原 理 (principle ) 电 阻 应 变 式 传 感 器 利 用 电 阻 应 变 计 构 成 的 惠 斯 顿 电 桥 ， 通 过 测量 弹 性 体 的 应 变 而 测 得 与 之 成 正 比 的 外 力 （ 重 量 ） 。 一 般 由 四 应 变 计 组 成 的 惠 斯 登 电 桥 粘 贴 在 弹 性 体 上 ， 当 弹 性 体由 于 外 力 发 生 弹 性 形 变 时 ， 四 个 电 桥 的 两 个 相 对 的 臂 伸 长 ， 电 阻 变化 + R， 另 外 两 个 相 对 臂 压 缩 ， 电 阻 变 化 - R； 测 量 电 桥 电 路 应 变 片 弹 性 体 载 荷 应 变 输 出 电 压 UO电 阻 变 化 力 形 变 形 变 电 阻 变 化 电 阻 变 化 电 压 输 出怎 样 从 力 电 信 号 呢 ？F dR uo 常 见 分 类 (types)按 结 构 型 式 分 ： 弯 曲 梁 式 ， 剪 切 梁 式 ，S 形 拉 式 ， 柱 式 等 不 同 称 重 传 感 器 应 变 片 的 粘 贴 方 式LOAD 电 阻 应 变 片 （ resistance strain gauge） 结 构 ： 敏 感 栅 (sensitive grid)、 基 底 、 盖 层 、 引 线 功 能 ： 把 构 件 表 面 的 形 变 量 转 化 为 电 信 号 (电 阻 变 化 )； sKRdR )21(1 dKs 材 料 的 应 变 电 阻 特 性 敏 感 栅 材 料 的 要 求敏 感 栅 材 料 的 要 求 ：n 1.灵 敏 系 数 Ks高 ， 在 较 大 应 变 范 围 保 持 常 数 康 铜 丝 在 弹 性 状 态 和 塑 性 状 态 下 ， Ks值 基 本 上 是 常 数 ；n 2.电 阻 率 高 ， 分 散 度 小 ， 随 时 间 变 化 小 ；n 3.电 阻 温 度 系 数 小 ， 且 在 宽 的 温 度 范 围 内 保 持 不 变 ， 减 小 温 度 带 来 的 影 响 ； n 4.分 散 度 小 ， 对 温 度 循 环 有 完 全 的 重 复 性 ；n 5.延 伸 率 高 ， 耐 蚀 性 好 ， 疲 劳 强 度 高 ；n 6.焊 接 性 能 好 等 。材 料 类 型 :金 属 （ 铜 镍 合 金 、 镍 铬 合 金 ） /半 导 体 /金 属 氧 化 物金 属 ： Ks=2.04.0半 导 体 ： Ks=150 基 底n 基 底 材 料 要 求 ： 1.柔 软 ， 有 一 定 的 机 械 强 度 ； 2.粘 结 性 能 和 绝 缘 性 能 好 ； 3.蠕 变 和 滞 后 现 象 小 ； 4.不 吸 潮 ， 能 在 不 同 温 度 下 工 作 。 n 常 用 基 底 材 料 ： 纸 ， 胶 膜 ， 玻 璃 纤 维 布 ， 金 属 薄 片 等 。 引 线 和 盖 层 n 引 线 要 求 ： 1.引 线 应 具 有 低 且 稳 定 的 电 阻 率 ； 2.具 有 小 的 电 阻 温 度 系 数 。n 引 线 常 用 材 料 ： 多 用 紫 铜 ， 铍 青 铜 等 。 n 盖 层 ： 作 用 ： 保 护 敏 感 栅 ， 避 免 机 械 损 伤 ， 防 止 高 温 氧 化 。 材 料 ： 基 底 的 胶 膜 或 玻 璃 纤 维 布 等 。 应 变 计 的 工 作 特 性 即 考 察 的 技 术 指 标n 应 变 计 的 电 阻 值 ： 60， 120， 200， 350， 500， 1000；n 应 变 计 的 灵 敏 系 数 （ 一 般 2.04.0）n 应 变 计 横 向 效 应 系 数 （ 一 般 0.1%5%）n 应 变 计 的 机 械 滞 后n 应 变 计 的 零 点 漂 移 和 蠕 变n 应 变 计 的 应 变 极 限n 应 变 计 的 疲 劳 寿 命 n 应 变 计 的 绝 缘 电 阻n 应 变 计 的 温 度 特 性n 应 变 计 的 最 大 工 作 电 流 组 桥 测 量 原 理 (principle of measuring grid)iURRRR RRRRUo )( 4321 3142 -R+R-R +R sKRdR RRRRR 4321 R微 小 变 形 ：2近 似对 电 桥 电 路 ：对 应 变 计 ： )( )()( 44332211 33114422 RRRRRRRR RRRRRRRRUUo )(4 43210 RRRRRRRRUU )(4 43210 UKU 有 了 弹 性 机 体 ， 应 变 计 和 组 成 的 电 桥 电 路应 变 电 阻 变 化力 应 变 电 阻 输 出 电 压 传 感 器 的 基 本 测 量 特 性n 计 量 性 能 ： 线 性 ； 滞 后 ； 重 复 性 ； 蠕 变 ； 零 点 ； 量 程 温 度 系 数 等 。 n 其 它 指 标 ： 灵 敏 度 输 出 ； 输 入 /出 阻 抗 ； 绝 缘 阻 抗 等 。 我 们 最 关 心 的技 术 指 标 称 重 传 感 器 的 特 性 曲 线 需 要 最 理 想 的 综 合 误 差非 线 性滞 后 00 载 荷输 出 额 定 载 荷额 定 输 出 卸 载加 载 理 想 直 线 n 各 项 主 要 指 标 ：n 1 精 度 等 级 :C3n 2 额 定 输 出 :2mv/Vn 3 非 线 性 :0.02%F.Sn 4 重 复 性 :0.01%F.Sn 5 滞 后 : 0.02%F.Sn 6 零 点 输 出 : 1%F.Sn 7 蠕 变 (30分 钟 ): 0.02%F.S n 8 零 点 温 度 系 数 : 20ppm/Cn 9 灵 敏 度 温 度 系 数 :20ppm/C n 10 补 偿 温 度 范 围 :-10C- +40Cn 11 使 用 温 度 范 围 :-20C- +65Cn 12 绝 缘 电 阻 :5000 Mn 13 安 全 超 载 :150%F.Sn 14 极 限 超 载 : 300%F.Sn 15 防 护 等 级 :IP67 基 本 补 偿 电 路 Ra = output resist. adjustm. Re = input resist. adjustm. So = Zero adjustment Rc = Span adjustmentTko = Temp. adjustm. zeroTkc = Temp. adjustm. spanUs+Us-Um+ Um-Ni3* TKo RaRa So Rc Ni TKcNi TKcRe Rc称 重 传 感 器 电 路 补 偿 的 主 要 项 目 有 零 点 温 度 补 偿 零 点 输 出 补 偿 灵 敏 度 温 度 补 偿 （ 弹 性 模 量 补 偿 ） 灵 敏 度 标 准 化 调 整 输 出 电 阻 标 准 化 调 输 入 电 阻 标 准 化 调 整 正 做 着 补 偿 呢 ！ 温 度 对 传 感 器 的 影 响Uout load 温 度 对 零 点 输 出 的 影 响（ 使 整 个 特 性 曲 线 平 移 ）T1T2 温 度 对 传 感 器 的 特 性 曲 线的 综 合 影 响T2 T1 Uout load 温 度 对 灵 敏 度 的 影 响（ 使 特 性 曲 线 倾 斜 ）T2 T1 1.零 点 温 度 补 偿n 零 点 输 出 ： 称 重 传 感 器 在 无 外 载 荷 作 用 时 的 输 出 .n 零 点 温 度 漂 移 ： 零 点 输 出 受 环 境 温 度 的 影 响 , 随 环 境 温 度 的 变 化 而 变 化 , 称 之 为 .n A tip： 都 可 以 看 成 是 电 桥 电 路 四 个 桥 臂 电 阻 温 度 系 数 不 一 致 。 n 对 策 ： 找 出 个 桥 臂 中 电 阻 温 度 系 数 小 的 桥 臂 ， 在 其 上 串 入 一 个 电 阻 温 度 系 数 较 大 的 零 点 温 度 补 偿 电 阻 ， 以 提 高 这 个 桥 臂 总 的 电 阻 温 度 系 数 。n 材 料 ： 铜 (a=0.0041/ )、 镍 (a=0.0068/ )、 钴 镍 合 金n tips： 根 据 高 温 和 常 温 输 出 电 压 差 的 正 负 判 断 补 偿 电 阻 串 接 在 哪 个 桥 臂 上 ；n 根 据 的 大 小 计 算 的 大 小 。 零 点 温 度 补 偿 电 路 it UUtta RR )( 2 121 RURtIRtU i2 )( 121 ttaRR tt 零 点 温 度 补 偿 电 路+ UBU D 2.零 点 输 出 补 偿n 使 称 重 传 感 器 的 零 点 输 出 接 近 为 0所 做 的 调 整 。n 补 偿 方 法 ： 在 无 外 载 荷 作 用 时 ， 测 出 传 感 器 的 零 点 输 出值 ， 然 后 在 某 一 桥 臂 中 串 接 一 个 低 电 阻 温 度 系 数 的 零 点输 出 补 偿 电 阻 。 n 材 料 ： 电 阻 率 要 高 ； 电 阻 温 度 系 数 小 ； 应 变 片 灵 敏 系数 低 。 锰 铜 、 康 铜 。n Tips： 1.根 据 输 出 电 压 的 正 负 确 定 串 接 在 哪 个 桥 臂 中 ； 2.根 据 的 大 小 确 定 补 偿 电 阻 的 大 小 。iURRRR RRRRUo )( 4321 4231 0 03421 URRRR 时平 衡 条 件 ： 零 点 输 出 补 偿 电 路 零 点 输 出 补 偿 电 阻 的 计 算RURRUI iZi 22 ZiZo RRUIRU 2 oiZ UURR 2U0： 补 偿 前 零 点 输 出 电 压 值Rz： 补 偿 电 阻 的 值 3.灵 敏 度 温 度 补 偿n 称 重 传 感 器 的 灵 敏 度 S用 下 式 表 示 ： VmVUUS ioUo： 传 感 器 的 额 定 输 出 mVU i： 传 感 器 的 供 桥 电 压 V 圆 柱 式 的 灵 敏 度 计 算 公 式 ： 剪 切 梁 式 灵 敏 度 计 算 公 式 ： VmVED KPS 32 10)21(2 3333 222 10)( )(4 )1(3 bhbHB bhbHBEbKPS 传 感 器 的 额 定 载 荷 ； 电 阻 应 变 计 的 灵 敏 系 数 ； 弹 性 元 件 材 料 的 泊 松 比 ； 弹 性 元 件 材 料 的 弹 性 模 量 ； 圆 柱 式 弹 性 元 件 的 外 径 ； 、 b、 H、 h-剪 切 式 弹 性 元 件 工 字 型 或 矩 形 截 面 尺 寸 参 数 。 温 度 对 灵 敏 度 的 影 响n 温 度 变 化 时 ， 材 料 的 弹 性 模 量 E变 化 最 大 （ E温 度 系 数 为 负 ） ， 直接 影 响 材 料 的 灵 敏 度 ， 造 成 很 大 的 测 量 误 差 。n 0.03 0.05%/ 即 温 度 每 变 化 10 ， 灵 敏 度 变 化 2% 5%这个 也 太 大 了 n 思 路 ： 温 度 变 化 使 E/Ui保 持 不 变 -灵 敏 度 S就 可 以 保 持 不 变 ； n 方 法 ： 在 电 桥 的 供 桥 回 路 中 串 接 补 偿 电 阻 RM， 当 温 度 升 高 ， RM随 之 变 大 ， 分 压 作 用 变 大 ， 供 桥 电 压 减 小 。Uo Ui/E (Ui为 实 际 供 桥 电 压 ) -4S 不 变 ， 则 灵 敏 度 S 不 变T E Ui EUiS 温 度 灵 敏 度 补 偿 电 阻 的 计 算RaaR ELGM ELM )2(2 MLaE 弹 性 元 件 的 线 膨 胀 系 数 ；弹 性 模 量 E的 温 度 系 数 ；灵 敏 度 温 度 补 偿 电 阻 的 温 度 系 数 ；应 变 计 灵 敏 系 数 的 温 度 系 数 ；应 变 计 的 电 阻 温 度 系 数 。G RRM )%76(灵 敏 度 温 度 误 差 是 一 个 系 统 误 差 ， 它 主 要 取 决 于 弹 性 元件 和 电 阻 应 变 计 的 材 料 ， 很 少 程 度 与 弹 性 元 件 的 结 构 有 关 ！ 4 灵 敏 度 标 准 化 调 整n 即 ： 灵 敏 度 调 整 到 标 准 值 。n 思 路 :在 电 桥 的 供 桥 回 路 上 串 联 灵 敏 度 标 准 化 调 整 电 阻 Rsn 即 在 电 源 电 压 不 变 的 情 况 下 ， 通 过 在 供 桥 回 路 上 串 联 电 阻 可 以 改 变 实际 的 供 桥 电 压 。 )(0 S SSRRs EC说 明 ： S 0未 串 入 Rs时 实 测 的 灵 敏 度 S串 入 Rs调 整 后 要 求 的 灵 敏 度 REC桥 路 EC两 点 间 的 电 阻 值材 料 要 求 ：电 阻 温 度 系 数 小 ， 如 锰 铜 ， 多 用 优 于50或 25ppm/ 的 高 精 度 ， 高 稳 定 度 的环 氧 膜 压 封 型 金 属 膜 电 阻 5.输 出 电 阻 标 准 化 调 整n 背 景 ： 当 多 只 传 感 器 并 联 使 用 时 ， 要 求 ： 每 只 传 感 器 的 灵 敏 度 和 输 出 电阻 相 同 。 否 则 ： 传 感 器 并 联 后 输 出 的 平 均 值 有 较 大 的 称 量 误 差 。n 调 整 方 法 ： 在 电 桥 电 路 的 输 出 回 路 上 串 接 一 个 高 精 度 低 电 阻 温 度 系 数的 调 整 电 阻 R0 。Tips： 当 输 出 电 阻 的 实 测 值 小 于 要 调 整的 标 准 值 时 ， 输 出 回 路 上 串 接 调 整 电 阻 R 0； 当 输 出 电 阻 的 实 测 值 大 于 要 调 整的 标 准 值 时 ， 输 出 回 路 上 并 联 调 整 电 阻 R0；补 偿 电 阻 ：R0最 好 使 用 高 精 度 、 高 稳 定 度 、 低温 度 系 数 的 环 氧 压 膜 封 装 型 金 属 膜 电阻 。 6.输 入 电 阻 标 准 化 调 整n 方 法 ： 在 电 桥 的 供 桥 回 路 上 并 联 一 个 输 入 电 阻 标 准 化调 整 电 阻 Ri。 BFG BFGi RR RRR R FG未 并 入 Ri时 桥 路 F、 G两点 间 的 电 阻 值 ；RB输 入 电 阻 要 求 的 标 准 值 。 完 整 的 传 感 器 补 偿 与 调 整 电 路 实 际 的 补 偿 电 路为 电 桥 电 路 各 项 参 数 对 称 ，提 高 抗 干 扰 能 力 ， 应 温 度 灵 敏 度补 偿 ， 灵 敏 度 标 准 化 调 整 和 输 出电 阻 标 准 化 调 整 的 补 偿 电 阻 分 成相 等 的 两 部 分 ， 对 称 的 串 接 在 供桥 回 路 和 输 出 回 路 上 。 Ra = output resist. adjustm. Re = input resist. adjustm. So = Zero adjustment Rc = Span adjustmentTko = Temp. adjustm. zeroTkc = Temp. adjustm. span Us+ Us-Um+ Um-Ni3* TKo RaRa So Rc Ni TKc Ni TKcRe Rc 补 偿 规 则 注 意 (notice)：n 按 照 顺 序 一 环 扣 一 环 ， 以 免 后 者 影 响 前 者 ；n 属 于 批 量 生 产 传 感 器 的 关 键 工 艺 和 技 术 ， 需 要较 先 进 的 工 艺 设 备 和 仪 器 ；n 在 制 作 高 精 度 传 感 器 时 需 要 实 际 测 量 进 行 补 偿 。 thats all ,thank you !