电阻应变式称重传感器的原理和补偿讲解材料
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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)
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)。
14 极限超载: 300%F.S
0
15 防护等级:IP67 0
卸载 滞后 加载
综合误差
非线性 理想直线
载荷
额定载荷
基本补偿电路
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
Us+
Rc Ni
Re
●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
Um+
So
3 *
Ra
aL 弹性元件的线膨胀系数; E 弹性模量E的温度系数;
M 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;
G 应变计的电阻温度系数。
RM(6~7)% R
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
即:灵敏度调整到标准值。
思路:在电桥的供桥回路上串联灵敏度标准化调整电阻Rs
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。
R sRECS0SS()
说明: S0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
◆D-圆柱式弹性元件的外径;
◆B、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
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。 -4
0.03~0.05%/℃即 温度每变化10℃,灵敏度变化2%~5%~~这 个也太大了~~
Tkc = Temp. adj ustm. span
正做着补偿呢!
Uout
温度对传感器的影响
Uout
T2 T1
T2 T1
温度对灵敏度的影响 load
(使特性曲线倾斜)
温度对零点输出的影响 load
(使整个特性曲线平移)
T2 T1
温度对传感器的特性曲线 的综合影响
1.零点温度补偿
零点输出:称重传感器在无外载荷作用时的输出.
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RZ。
材料:电阻率ρ要高;电阻温度系数小;应变片灵敏系 数低。-锰铜、康铜。
Tips: 1.根据输出电压Uo的正负确定串接在哪个桥臂中; 2.根据Uo的大小确定补偿电阻的大小。
Uo R1R3R2R4 Ui (R1R2)(R3R4)
思路:温度变化使E/Ui保持不变-灵敏度S就可以保持不变;
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)
T E S Ui S
Ui E
不变,则灵敏度S 不变
温度灵敏度补偿电阻的计算
RMMG 2 (aL 2aE LE)R
tips: 1.根据高温和常温输出电压差△U0的正负判断补偿电阻Rt串
接在哪个桥臂上;
2.根据△U0的大小计算Rt的大小。
零点温度补偿电路
UB
UR•tIR•tUi 2R
R tR t1•a(t2t1 )
Rt1 2R •U a(t2t1) Ui
UD
+
—
零点温度补偿电路
2.零点输出补偿
——使称重传感器的零点输出接近为0所做的调整。
2 .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)
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);
dR Ks
R
材料的应变~电阻特性
Ks 1d(12)
敏感栅材料的要求
敏感栅材料的要求:
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;
2.电阻率高,分散度小,随时间变化小; 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; 4.分散度小,对温度循环有完全的重复性; 5.延伸率高,耐蚀性好,疲劳强度高; 6.焊接性能好等。
5 滞后: 0.02%F.S
6 零点输出: 1%F.S 7 蠕变(30分钟): 0.02%F.S
输出
8 零点温度系数: 20ppm/C
9 灵敏度温度系数:20ppm/C
10 补偿温度范围:-10C-- +40C
11 使用温度范围:-20C-- +65C
12 绝缘电阻:5000 M
13 安全超载:150%F.S
-ΔR
+ΔR
(R 1 R 1 R 2 R 2 )R ( 3 R 3 R 4 R 4 )
U 0U ( R 1 R 2 R 3 R 4) 4R R R R
对应变计: dR Ks
R
U0UK (1234)
4
有了弹性机体,应变计和组成的电桥电路
力—应变
应变—电阻变化
电阻—输出电压
传感器的基本测量特性
5.输出电阻标准化调整
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。
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R0; ●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
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。
Ri
RFGRB RFG RB
RFG—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。
平衡R 条 1R 件 4时 U: 00 R2 R3
零点输出补偿电路
零点输出补偿电阻的计算
I Ui Ui 2RRZ 2R
Uo IRZ 2URi •RZ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
RZ
2R Ui Uo
U0: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
称重传感器的灵敏度S用下式表示: S Uo mVV Ui
Uo:传感器的额定输出mV Ui:传感器的供桥电压V
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。
引线常用材料:多用紫铜,铍青铜等。
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
应变计的电阻值:60,120,200,350,500,1000; 应变计的灵敏系数(一般2.0~4.0) 应变计横向效应系数(一般0.1%~5%) 应变计的机械滞后 应变计的零点漂移和蠕变 应变计的应变极限 应变计的疲劳寿命 应变计的绝缘电阻 应变计的温度特性 应变计的最大工作电流
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=2.0~4.0 半导体:Ks=150
基底
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。
常用基底材料: 纸,胶膜,玻璃纤维布,金属薄片等。
引线和盖层
称重传感器原理及补偿
load cell principle and compensation circuit
主要内容(content)
1.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)
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;
怎样从力~电信号呢?
F∝ε∝dR∝uo
载荷P
弹性体
应变e
应变片
电阻变化
△R 测量电桥电路
输出电压UO
力~形变
形变~电阻变化
电阻变化~电压输出
计量性能:
线性; 滞后;
我们最关心的
重复性;
技术指标
蠕变;
零点;
量程温度系数等。
其它指标:
灵敏度输出;
输入/出阻抗;
绝缘阻抗等。
称重传感器的特性曲线~需要最理想的
各项主要指标:
1 精度等级:C3 2 额定输出:2mv/V
额定输出
3 非线性:0.02%F.S
4 重复性:0.01%F.S
组桥测量原理(principle of measuring grid)
对电桥电路: Uo R2R4R1R3 Ui (R1R2)(R3R4)
2近似
R 1R 2R 3R 4R 微小变形: R
+ΔR
-ΔR
U o U (R 2 R 2 )R ( 4 R 4 ) (R 1 R 1 )R ( 3 R 3 )
●输入电阻标准化调整
Ni Rc
Us-
TKc
Ni TKo
Um-
Ra
Ra = output resist. adjustm.
Re = input resist. adj ustm.
So = Zero adjustment
Rc = Span adjustment
TKc
Tko = Temp. adjustm. zero
较先进的工艺设备和仪器; 在制作高精度传感器时需要实际测量进行补偿。
that’s all ,thank you !
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。
完整的传感器补偿与调整电路
Us+
Rc Ni
TKc
Re
Um+
So
3 *
Ra
Us-
Ni Rc
Ni TKo
Um-
Ra
Ra = output resist. adj ustm.
圆柱式的灵敏度计算公式:
剪切梁式灵敏度计算公式:
◆P-传感器的额定载荷;
S2(1 E 22 )D K P 130mV
S3(1 4E )K b• P B B ((H H 2 3 b b3 2)) b b3 2h h 13 0
◆K-电阻应变计的灵敏系数;
◆ μ-弹性元件材料的泊松比;
◆E-弹性元件材料的弹性模量;
Re = input resist. adj ustm.
So = Zero adj ustment
Rc = Span adj ustment
TKc
Tko = Temp. adj ustm. zero
Tkc = Temp. adj ustm. span
补偿规则注意(notice):
按照顺序一环扣一环,以免后者影响前者; 属于批量生产传感器的关键工艺和技术,需要
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~.
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。
对策:找出4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。
材料:铜(a=0.0041/℃)、镍(a=0.0068/℃)、钴—镍合金