一种称重传感器的性能研究

一种称重传感器的性能研究摘要电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩以及位移、加速度等参数的测量。目前，无论在数量上还是在应用领域上，与其他传感器相比都具有重要的地位。其主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定，可靠，测量速度快，适合静态、动态测量。本文先对传感器进行了介绍，它的定义，分类，特性有哪些，之后着重对电阻应变式称重传感器进行了分析，分析了电阻应变片的工作原理、温度特性及相应的补偿方法，并讨论电阻应变片的信号调理电路，随后给出了系统的整体框架。最后利用实验室的仪器进行电阻应变式称重传感器的各种性能测试，对实验结果进行统计和对比，给出传感器的几个主要性能并分析产生误差的原因。实验结果表明:在不同的时间或电桥电路测量中，传感器的输入输出具有较好的线性度和稳定性；灵敏度，分辨力视不同的电桥电路而有不同，双臂电桥优于单臂电桥，全桥又优于双臂电桥，可分辨的质量分别约为1克、0.5克、0.3克。温度是传感器的一个重要影响因素，但是可以用温度补偿的办法来尽量消减它的影响。关键字：电阻应变片；电桥电路；称重传感器；传感器特性THEPERFORMANCEOFALOADCELLRESEARCHABSTRACTResistancestrainsensoristhemostwidelyusedonesensorhasbeenwidelyusedinaerospace,mechanical,electrical,chemical,construction,medicalandotherfieldsofforce,pressure,torqueanddisplacement,accelerationandotherparametersmeasured.Atpresent,intermsofquantityorintheapplicationareas,comparedwiththeothersensorshaveanimportantrole.Themainadvantageisitssimplestructure,easytouse,highsensitivity,stableperformance,reliable,measurementspeed,suitableforstaticanddynamicmeasurements.Inthispaper,firstintroducedonthesensor,itsdefinition,classification,characteristicsofwhich,afterthefocusofresistancestrainweighingsensoranalysis,analysisoftheresistanceoftheworkingprincipleofstraingauges,temperaturecharacteristicsandthecorrespondingcompensationmethods,anddiscussresistanceofstraingaugesignalconditioningcircuit,andthengivestheoverallframeworkofthesystem.Finally,theuseoflaboratoryinstrumentstomaketheresistancestrainsensorweighingthevariousperformancetests,theexperimentalresultsandcomparativestatistics,giventhesensorperformanceandanalysisofseveralmajorcausesoferrors.Theexperimentalresultsshowthat:atdifferenttimesorbridgemeasurementcircuit,theinputandoutputsensorshavegoodlinearityandstability;sensitivity,dependingonresolutionofthebridgecircuitanddifferentbridgearmsisbetterthanWheatstonebridge,full-bridgearmsisbetterthananotherbridge,thequalitycanberesolvedabout1gram,0.5grams,0.3grams.Sensortemperatureisanimportantinfluencingfactors,buttemperaturecompensationcanbeasmuchaspossiblewaystoreducetheimpactofit.Keywords:Resistancestraingauge;bridgecircuit;weighingsensor;sensorcharacteristics目录1绪论………………………………………………………………………………...11.1课题背景及目的……………………………………………………………....11.2国内外研究状况………………………………………………………….......12传感器的原理及性能…………………………………………………………......42.1传感器的定义.................................................42.2传感器的分类.................................................42.3传感器的特性.................................................62.3.1传感器静态特性……………………………………………………...62.3.1.1传感器的线性度……………………………………………………72.3.1.2传感器的灵敏度……………………………………………………72.3.1.3传感器的分辨力……………………………………………………72.3.2传感器动态特性……………………………………………………….83电阻应变式称重传感器的原理…………………………………………………..93.1电阻应变片的结构及原理.......................................93.2电阻应变片的温度特性和补偿方法...............................103.3电阻应变片的信号调理电路.....................................123.4悬臂梁式称重传感器结构图………………………………………………144实验结果及误差分析…………………………………………………………….154.1实验结果.....................................................154.2误差分析……………………………………………………………………..205结论……………………………………………………………………………….22参考文献…………………………………………………………………………….23致谢………………………………………………………………………………….24第1页共28页1绪论1.1课题背景及目的电子称重技术是现代称重计量和控制系统的重要基础之一。近年来，随着计算机技术和传感器技术的迅速发展，学科间相互渗透的加强，电子称重技术及其应用又有了新的发展。称重计量方法由模拟测量向数字化测量发展，称重技术由离线称重向在线称重发展，测量特点由单参数测量向多参数测量发展，快速称重、动态称重和高精密称重的研究和应用正在成为称重领域的热点，引起了各国衡器部门和相关工业部门的广泛关注和极大兴趣。电子称重技术的发展水平，已成为衡量一个国家科学技术水平和工业发达程度的重要标志。电子称重技术是集电子、材料、机械、信息为一体的综合技术，随着近年来计算机技术和微电子技术等相关技术的迅速发展，国际上称重技术的发展趋势是实现快速称量，提高称重系统的灵敏度和测量精度，提高动态稳定性，要求称重系统自动化、多功能化、在线化。特别是计算机网络的出现，电子称重仪器更是向着小型化、网络化的方向发展。1.2国内外研究状况1936～1938年美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工学院教授A.Ruge（鲁奇）分别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计，命名为SR-4型，由美国BLH公司专利生产，同时也使BLH公司成为利用SR-4型电阻应变计制造传感器的创始者。1940年美国军事工程部门和Revere公司总工程师A.Thurston（瑟斯顿）分别把电阻应变计技术应用于军事工程的电子测力和称重计量领域，研制出应变式负荷传感器。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产，至今已有60多年历史。这期间经过种种改进和发展，负荷传感器的准确度从研制初期的百分之几量级提高到千分之几、万分之几量级，并以其结构简单、使用方便、准确度高、频率响应快、稳定性好、工作寿命长、几乎不用维修等特点，广泛应用于各种测力装置和电子称重系统。经过60多年的变迁，尽管第2页共28页负荷传感器的弹性体结构、几何形状和尺寸发生了不小变化，原材料、元器件，制造技术与工艺都有较大改进和提高，应用研究也取得了许多成就，但其基本构思、基本原理和基本工艺仍然证明是合理的可靠的。负荷传感器技术的几个发展时期和起决定性作用的技术创新是值得认真研究和总结的，它对未来称重传感器技术的发展和确立技术研究课题都有指导作用。1952年英国学者杰克逊首先研制出金属箔式电阻应变计，为负荷传感器提供较理想的转换元件。并创造了用热固胶粘贴电阻应变计的新工艺，提高了负荷传感器的准确度和稳定性，促进了负荷传感器技术的发展。1973年美国学者霍格斯特姆为克服利用拉伸、压缩和弯曲应力的正应力负荷传感器的诸多缺点，提出了不利用弹性体正应力，而利用切应力的理论，设计出圆截工字型截面悬臂剪切梁式负荷传感器，打破了传统的柱、筒、环、梁结构正应力负荷传感器的一统天下。剪切式负荷传感器以其灵敏度对加力点变化不敏感、拉向和压向灵敏度对称性好、抗偏心和横向负荷能力强、结构简单紧凑、尺寸小等特点形成了一个新的发展潮流，极大的推动了负荷传感器技术的发展。1974年日本学者大井光四郎利用平面问题的有限单元法分析电阻应变计的应变传递，优化结构设计。德国学者埃多姆和美国学者斯坦因分别利用建立弹性体力学模型，采用有限单元计算分析弹性体的应力场、位移场，求得最佳化设计，为利用现代化科技手段设计与计算负荷传感器开辟了新途径。1975年前后，为满足低容量电子计价秤发展的需要，美、日等国研制出铝合金不变弯矩原理的平行梁结构负荷传感器。虽然它利用的是平行梁表面的弯曲应力，应属于正应力类型，但因其不变弯矩原理使灵敏度对加力点变化不敏感，拉向和压向灵敏度对称，它又具备了切应力负荷传感器的特点。并且量程小，刚度大，便于调整四角误差，很快就形成了负荷传感器的又一个发展潮流。由于电子称重技术和工业、商业电子衡器的迅速发展，负荷传感器的性能指标和评定方法，已不能满足采用阶梯公差带评定准确度等级的电子衡器的需要，急需准确度评定比较统一的计量规程。80年代初，国际法制计量组织（OIML）质量测量指导秘书处为适应电子衡器的误差评定方法，决定将用于电子称重的传感器与测力传感器彻底分开，由美国负责的第8报告秘书处起草《称重传感器计量规程》。经过OIML成员国书面表决后，在1984年10月第7届法制计量大会第3页共28页上正式批准，并于1985年以OIML，R60国际建议颁布，下发到各成员国。目前各国正在执行的是R60的2000年版。由于新计量规程把计量性能与温度性能综合考虑，增加了研究开发与大批量生产的难度，逼迫企业完善工艺准备