称重传感器原理及接线方法

　　称重传感器重被用于工农业生产中的自动化配料，称重，以此来提高生产效率。称重传感器是一种可以将称重传感器信号（或再通过重量变送器）转换为重量数字显示，并可对重量数据进行储存、统计、打印的电子设备。本文主要介绍一下称重传感器原理及接线方法。

　　称重传感器原理

　　电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

　　由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。

　　1、电阻应变片

　　电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

　　设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

　　R=ρL/S（Ω）（2—1）

　　当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

　　对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

　　ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2（2—2）

　　用式（2--1）去除式（2--2）得到

　　ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S（2—3）

　　另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以

　　ΔS/S=2Δr/r（2—4）

　　从材料力学我们知道

　　Δr/r=-μΔL/L（2—5）

　　其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有

　　ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L

　　=（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

　　=K*ΔL/L（2--6）

　　其中

　　K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（2--7）

　　式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

　　需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

　　在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便

　　常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（2--6）常写作：

　　ΔR/R=Kε(2—8)

　　2、弹性体

　　弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。

　　以称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

　　设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。

　　肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

　　ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3）（2--9）

　　其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。

　　需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

　　3、检测电路

　　检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

　　因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

　　称重传感器的构造原理

　　金属电阻具有阻碍电流流动的性质，即具有电阻(Ω)，其阻值依金属的种类而异。同一种金属丝，一般来讲，越是细长，其电阻值就越大。当金属电阻丝受外力作用而伸缩时，其电阻值就会在某一范围内增减。因此，将金属丝(或膜)紧贴在被测物体上，而且这种丝或膜又很细或很薄，粘贴又十分完善，那么，当被测物体

　　受外力而伸缩时，金属电阻丝(膜)也会按比例伸缩，其阻值也会相应变化。称重传感器就是将金属电阻应变计粘贴在金属称重梁上进行测量重量信号的。

　　称重传感器的接线方法

　　称重传感器的出线方式有4线和6线两种，模块或称重变送器的接线也有4线和6线两种，要接4线还是6线首先要看你的硬件要求是怎样的，原则是：传感器能接6线的不接4线，必须接4线的就要进行短接。

　　一般的称重传感器都是六线制的，当接成四线制时，电源线（EXC-，EXC+）与反馈线（SEN-，SEN+）就分别短接了。SEN+和SEN-是补偿线路电阻用的。SEN+和EXC+是通路的，SEN-和EXC-是通路的。

　　EXC+和EXC-是给称重传感器供电的，但是由于称重模块和传感器之间的线路损耗，实际上传感器接收到的电压会小于供电电压。每个称重传感器都有一个mV/V的特性，它输出的mV信号与接收到的电压密切相关，SENS+和SENS-实际上是称重传感器内的一个高阻抗回路，可以将称重模块实际接收到的电压反馈给称重模块。假设EXC+和EXC-为10V,线路损耗，传感器2mV/V，实际上传感器输出最大信号为（）*2=19mV，而不是20mV。此时称重传感器内部就会把19mV作为最大量程，前提是传感器必须通过反馈回路把实际电压反馈给称重模块。在称重传感器上将EXC+与SENS+短接，EXC-与SENS-短接，仅限于传感器与称重模块距离较近，电压损耗非常小的场合，否则测量存在误差。

　　使用称重传感器时应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到称重传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。

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