传感器技术与应用课件：教学课件4-2 重量的检测.ppt

1、传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测n学习目标：学习目标： 使学生了解称重传感器的组成、工作原使学生了解称重传感器的组成、工作原理及性能指标；称重测量电路的作用及性能。理及性能指标；称重测量电路的作用及性能。 n学习重点：学习重点： （1）称重传感器的工作原理）称重传感器的工作原理 （2）电桥测量电路的作用及分析。）电桥测量电路的作用及分析。 n学习难点学习难点 ： 称重传感器的工作原理。称重传感器的工作原理。 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测任务提出：任务提出： 在生活、生产中，常常需要对物在生活、生产中，常常需要对物体的重量进行检

2、测。体的重量进行检测。传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测资讯资讯 力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它是生产过程中自动化检测的重要部件。它的种类是生产过程中自动化检测的重要部件。它的种类很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻很多，有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等，有经弹性敏感元件或其它敏感元件变换后式等，有经弹性敏感元件或其它敏感元件变换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。它主要用于两个方面：测力和称重。它主要用于两个方面：测力和称重。 传传感感器器技技术术与与应

3、应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（一）测力传感器的弹性敏感元件（一）测力传感器的弹性敏感元件一、弹簧管压力表的组成一、弹簧管压力表的组成：弹簧管是弹性敏感元件，它能：弹簧管是弹性敏感元件，它能感受压力并产生自身的弹性变形。当被测压力作用于弹簧感受压力并产生自身的弹性变形。当被测压力作用于弹簧管时，弹簧管便产生相应的变形，通过机械传动机构，使管时，弹簧管便产生相应的变形，通过机械传动机构，使标尺指针偏移角度，从而得到压力的数值。标尺指针偏移角度，从而得到压力的数值。弹簧管压力表的组成框图 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（一）测力传感器的弹性敏感元件（一）测

4、力传感器的弹性敏感元件二、弹性敏感元件的基本概念二、弹性敏感元件的基本概念：物体在外力作用下改变原物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形。具有弹性变去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。形特性的物体称为弹性元件。（1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。（2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形。dxdFxFKxlim0dFdxKS1传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（一）测力传感器的弹性敏感元件（一）

5、测力传感器的弹性敏感元件三、弹性敏感元件的基本要求及类型三、弹性敏感元件的基本要求及类型：刚度和灵敏度表示了刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。当刚度和灵敏度为常数时，作下变形越小，灵敏度越小。当刚度和灵敏度为常数时，作用力用力F与变形与变形X成线性关系，此种元件称为线性弹性元件。成线性关系，此种元件称为线性弹性元件。（1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能。（2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。（3）弹性模量的温度

6、系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。（4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。弹性弹性敏感敏感元件元件的基的基本要本要求求 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（1）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。（2）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、膜片（力、压力均可以变换）等。膜片（力、压力均可以变换）等。弹性元件输入量 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（二）电阻应变式传感器（二）电阻应变式传感器电阻应变式

7、传感器是一种利用电阻应变效应，将力学电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。量转换为电信号的传感器。工作原理：工作原理：1、电阻应变效应：、电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（二）电阻应变式传感器（二）电阻应变式传感器2、工作原理：、工作原理：电阻应变式传感器是通过弹性敏感元件将外部的电阻应变式传感器是通过弹性敏感元件将外部的应力转换成应变应力

8、转换成应变，再根据电阻应变效应，由电阻应变，再根据电阻应变效应，由电阻应变片将应变转换成电阻值的微小变化，通过测量电桥转片将应变转换成电阻值的微小变化，通过测量电桥转换成电压或电流的输出。换成电压或电流的输出。 电阻应变式传感器原理框图电阻应变式传感器原理框图 电阻应变片电阻应变片 测量电桥测量电桥U或或i 弹性敏感元件弹性敏感元件压力压力P 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（d） （e） （f）各种应变式电阻传感器的外形图(a)箔式压力；(b)柱式；(c)悬臂梁式；(d)桥式；(e)轮辐式；(f)S型拉压式传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测

9、重量的检测金属箔式压力传感器：金属箔式压力传感器：采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、温度特性好等特点。适用于适用于电子皮带秤、配料皮带秤、配料秤等秤等场所。 柱式传感器：柱式传感器：将箔式应变片贴在合金钢制作的圆柱弹性体中段较细的部位。这类传感器结构简单，加工容易，可拉、可压或拉压两用，可承受很大的负载，具有长期稳定性好、密封性好、灵敏度和精度较低等特点。适用于地中衡、料斗秤、汽车衡、轨道衡等场所。传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测悬臂梁式传感器：悬臂梁式传感器：它将箔式应变片贴在合金钢制作的弹性体的上下两面，弹性体一端固定、一端加载，拉、压均可

10、。具有精度高、密封性好、易安装等特点。适用于电子秤、料斗秤等小量程的称重场合。桥式传感器：桥式传感器：采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性能好、抗侧向力和抗偏载能力强等特点。适用于各种汽车衡、轨道衡、料斗秤等场所。传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测轮辐式传感器：轮辐式传感器：承载连接采用钢球或SR球面结构。有较好的自动复位能力，有良好的抗侧抗偏载能力；高精度高灵敏，适用于汽车秤，平台秤，料斗秤，轨道衡等电子衡器。S型拉压式传感器：型拉压式传感器：采用S型结构，由于其载荷的作用点和支撑点在同一轴线上，因此它的受力稳定，称重时，利用其弯

11、曲变形，产生信号。这种传感器拉压均可使用，应用于高湿度环境，具有优越的抗扭、抗侧、抗偏载能力，输出对称性好，精度高、结构紧凑等特点。适用于配料秤、料斗秤、机电结合秤、吊钩秤等场所。传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构 金属电阻应变片的结构如右图所示，它由敏感栅、基体、覆盖层（保护片）和引出线四部分组成 电阻应变式传感器原理框图电阻应变式传感器原理框图 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（1）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被粘贴在基体上。通过

12、基体把应变传递给它。粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。（2）基体起绝缘作用。（金属丝式应变片的结构图）基体起绝缘作用。（金属丝式应变片的结构图）（3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。（4）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式。传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（二）电阻应变式传感器（二）

13、电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的传感器。量转换为电信号的传感器。工作原理：工作原理：1、电阻应变效应：、电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测（三）压阻式传感器（三）压阻式传感器压阻效应是在半导体材料上施加作用力时，其压阻效应是在半导体材料上施加作用力时，其电阻率将发生显著变化的现象。电

14、阻率将发生显著变化的现象。它有两种类型，一种是利用半导体材料的体电它有两种类型，一种是利用半导体材料的体电阻，制作成半导体应变计，其灵敏度比金属应变计阻，制作成半导体应变计，其灵敏度比金属应变计高两个数量级；另一种是利用半导体集成工艺中的高两个数量级；另一种是利用半导体集成工艺中的扩散技术，将四个半导体应变电阻制作在同一硅片扩散技术，将四个半导体应变电阻制作在同一硅片上，而制成扩散硅压阻式传感器上，而制成扩散硅压阻式传感器。 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测决策与计划决策与计划 根据实际应用，选择电阻应变式传感器根据实际应用，选择电阻应变式传感器传传感感器器技技

15、术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测实施实施电阻应变式传感器是将力的变化转电阻应变式传感器是将力的变化转换为应变片电阻值的变化，由于电阻值换为应变片电阻值的变化，由于电阻值的变化范围很小，最常用的测量电路为的变化范围很小，最常用的测量电路为电桥电路。电桥电路。 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测电桥电路：如右图电桥电路：如右图当R1=R2=R3 =R4=R时，为等臂电桥。当R1=R2=R；R3 =R4=R时，为输出对称电桥。当R1=R3=R；R2 =R4=R时，为电源对称电桥。由分析可知：当R1R4=R2R3时，电桥平衡，输出电压UO=0。电桥电路电桥

16、电路 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测 单臂电桥：如右图单臂电桥：如右图R1为电阻应变片。起始时，为电阻应变片。起始时，应变片未承受应变，电桥应变片未承受应变，电桥平衡：平衡：R1R4=R2R3，此，此时时UO=0。当应变片承受应变时，则当应变片承受应变时，则R1增大为增大为R1+R，对于，对于等臂电桥和输出对称电桥，等臂电桥和输出对称电桥，此时的输出电压为：此时的输出电压为： 单臂电桥 KURRUU440传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测双臂电桥（差动半桥）：电双臂电桥（差动半桥）：电阻阻R1、R2为应变片，为应变片，R3、R4为

17、固定电阻。为固定电阻。当应变片承受应变时，当应变片承受应变时，R1增大为增大为R1+R，同，同时时R2减小为减小为R2R，此时的输出电压为单臂此时的输出电压为单臂工作时的两倍。工作时的两倍。差动半桥差动半桥KURRUU220传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测差动全桥：差动全桥：电阻电阻R1、R2、R3、R4均为均为应变片。当应变片承受应变片。当应变片承受应变时，则应变时，则R1和和R4增增大大R，R2和和R3减小减小R，此时的输出电压，此时的输出电压为单臂工作时的四倍。为单臂工作时的四倍。差动全桥差动全桥UKRRUU0传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重

18、量的检测重量的检测差动全桥工作方式的灵敏度最高，差动全桥工作方式的灵敏度最高，差动半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。差动半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度变化的自动补偿。因此，一般采用差动变化的自动补偿。因此，一般采用差动全桥电路。全桥电路。 传传感感器器技技术术与与应应用用任务任务1 重量的检测重量的检测检查与评价检查与评价1.选择称重传感器一定要考虑环境因素、适用范围和精度选择称重传感器一定要考虑环境因素、适用范围和精度要求。要求。2.选用的称重传感器一般工作在满量程的选用的称重传感器一般工作在满量程的3070之间。之间。3.称重传感器使用中最大载荷不能超过满量程的称重传感器使用中最大载荷不能超过满量程的120。4.传感器和仪表应定期进行标定，确保使用精度。传感器和仪表应定期进行标定，确保使用精度。5.电桥电压要稳定，稳漂、时电桥电压要稳定，稳漂、时漂漂要小，否则会引起测量误要小，否则会引起测量误差。差。