一种称重传感器的性能研究.doc
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1、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
2、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 THE PERFORMANCE OF A LOAD CELL RESEARCH ABSTRACT Resistance strain s
3、ensor is the most widely used one sensor has been widely used in aerospace, mechanical, electrical, chemical, construction, medical and other fields of force, pressure, torque and displacement, acceleration and other parameters measured. At present, in terms of quantity or in the application areas,
4、compared with the other sensors have an important role. The main advantage is its simple structure, easy to use, high sensitivity, stable performance, reliable, measurement speed, suitable for static and dynamic measurements. In this paper, first introduced on the sensor, its definition, classificat
5、ion, characteristics of which, after the focus of resistance strain weighing sensor analysis, analysis of the resistance of the working principle of strain gauges, temperature characteristics and the corresponding compensation methods, and discuss resistance of strain gauge signal conditioning circu
6、it, and then gives the overall framework of the system. Finally, the use of laboratory instruments to make the resistance strain sensor weighing the various performance tests, the experimental results and comparative statistics, given the sensor performance and analysis of several major causes of er
7、rors. The experimental results show that: at different times or bridge measurement circuit, the input and output sensors have good linearity and stability; sensitivity, depending on resolution of the bridge circuit and different bridge arms is better than Wheatstone bridge, full-bridge arms is bette
8、r than another bridge, the quality can be resolved about 1 gram, 0.5 grams, 0.3 grams. Sensor temperature is an important influencing factors, but temperature compensation can be as much as possible ways to reduce the impact of it. Key words: Resistance strain gauge; bridge circuit; weighing sensor;
9、 sensor characteristics 目录 1 绪论.1 1.1 课题背景及目的1 1.2 国内外研究状况.1 2 传感器的原理及性能4 2.1 传感器的定义.4 2.2 传感器的分类.4 2.3 传感器的特性.6 2.3.1 传感器静态特性 .6 2.3.1.1 传感器的线性度 7 2.3.1.2 传感器的灵敏度 7 2.3.1.3 传感器的分辨力 7 2.3.2 传感器动态特性 .8 3 电阻应变式称重传感器的原理9 3.1 电阻应变片的结构及原理.9 3.2 电阻应变片的温度特性和补偿方法.10 3.3 电阻应变片的信号调理电路.12 3.4 悬臂梁式称重传感器结构图 14 4
10、 实验结果及误差分析 .15 4.1 实验结果.15 4.2 误差分析20 5 结论. 22 参考文献.23 致谢.24 第 1 页 共 30 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
11、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 19361938 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
12、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 第 2
13、 页 共 30 页 迁,尽管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
14、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
15、 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
16、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 第 3 页 共 30 页 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,改进制造工艺,使称重传感器的综合性能和长期稳定性均有较大提 高,
17、保证了电子秤的质量。 80 年代中期,随着数字技术和信息技术的发展,为满足电子衡器数字化、 智能化的要求和用数字称重系统突破模拟称重系统局限性的构想,美国 TOLEDO、STS 和 CARDINAL 公司,德国 HBM 公司等先后研制出整体型和分离型数 字式智能称重传感器,并以其输出信号大,抗干扰能力强,信号传输距离远, 易实现智能控制等特点成为数字式电子衡器和自动称重计量与控制系统的必选 产品,并形成了一个开发热点。 第 4 页 共 30 页 2 传感器的原理及性能 2.1 传感器的定义 传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、感受外界的信号、物理 条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾
18、) ,并将探知的信息传递给其 他装置或器官。 国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是: “能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息, 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、 处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要 环节。 2.2 传感器的分类 可以用不同的观点对传感器进行分类:它们的转换原理(传感器工作的基 本物理或化学效应 );它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和 工艺等。 根据传感器工
19、作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类 : 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁 致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化 都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器, 被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 第 5 页 共 30 页 有些传感器既不能划分到物理类,也不能划分为化学类。大多数传感器是 以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多,例如可靠性问题,规模 生产的可能性,价格问题等,解决了这类难题,化学传感器的应用将会有巨大 增长。 常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。 1.按
20、照其用途,传感器可分类为: 压力敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器 2.按照其原理,传感器可分类为: 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器等。 以其输出信号为标准可将传感器分为: 模拟传感器 将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器 将被测量的非电学量转换成数字输出信号 (包括直接和间 接转换)。 膺数字传感器 将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出 (包括直接或间接转换 )。 开关传感器 当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应 地输出一个设定的低电平或高电平
21、信号。 在外界因素的作用下,所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它 们中的那些对外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用来制 作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类: (1)按照其所用材料的类别分 金属 聚合物 陶瓷 混合物 (2)按材料的物理性质分 导体 绝缘体 半导体 磁性材料 (3)按材料的晶体结构分 单晶 多晶 非晶材料 第 6 页 共 30 页 与采用新材料紧密相关的传感器开发工作,可以归纳为下述三个方向: (1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应,然后使它们能在传感器技 术中得到实际使用。 (2)探索新的材料,应用那些已知的现象、效应
22、和反应来改进传感器技术。 (3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应,并在传感器技术 中加以具体实施。 现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开 发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。 表 1.2 中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。 按照其制造工艺,可以将传感器区分为: 集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常 还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底 (基板)上的,相应敏感材料的薄膜形 成
23、的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常 是 Al2O3 制成的,然后进行热处理,使厚膜成形。 陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。 完成适当的预备性操作之后,已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶 瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性,在某些方面,可以认为厚膜工艺是 陶瓷工艺的一种变型。 每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投 入较低,以及传感器参数的高稳定性等原因,采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。 2.3 传感器的特性 2.3.1 传感器静态特性 第 7 页
24、 共 30 页 传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之 间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间 的关系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入 量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征 传感器静态特性的主要参数有:线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。 2.3.1.1 传感器的线性度 通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工 作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的 特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选取有多种方法。
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