PDF《应变式传感器常见故障原因分析》

(二)传感器基本原理

1、传感器的电路原理 电阻应变式传感器是通过弹性体来实现力的传递,通过粘贴于弹性体上的应变计阻值的变化来实 现力―电信号转换,通过惠斯登电桥的放大作用将信号输出. 图1电阻应变式传感器的基本电路图

2、传感器的电路计算 图1是典型的惠斯登电桥,其计算分析过程为: U=U0 R3/(R2+R3)-U0R4/(R1+R4) =U0[R3(R1+R4)-R4(R2+R3)]/(R1+R4)(R2+R3) =U0(R1・R3-R2・R4)/(R1+R4)(R2+R3) 对其微分:

3 U/U0 =( R1/R1- R2/R2+ R3/R3- R4/R4)/4 根据应变计原理:Kε= R/R U/U0 =(Kε1-Kε2+Kε3-Kε4)/4=K(ε1+ε3-ε4-ε2)/4 在上式中:U 为传感器输出电压;

U0 传感器输入电压,即供桥电压;

R

1、R

2、R

3、R4 分别为 各桥臂应变计标称电阻值;

K 为电阻应变计的灵敏系数;

ε 即为粘贴应变计处弹性体的应变量.如果R1=R2=R3=R4=R,那么 ε1=ε3=-ε4=-ε2=ε,则传感器输出 U/U0 =Kε. 以上可以看出,应变式传感器的输出灵敏度 U/U0 是与输入电压无关的,只与弹性体的应变 有关,单位为m V/V.

3、应变式传感器的组成 电阻应变式传感器主要由弹性体、应变计、补偿电路、电缆线、密封材料等几部分组成,下面对 这几部分的功能加以简单描述: (1)弹性体:力的采集元件,是应变式传感器的基本构成部件;

(2)应变计:将力信号转换为电阻值变化的敏感 元件,是构成应变式传感器的心脏 元件;

(3)补偿电路:用于对传感器的零点,输出灵敏度等基本参数进行修正,以满足产品标准和用 户使用要求,是构成传感器的必要部分;

(4)电缆线:用于将应变计采集的信号输出的载体,是构成传感器的必须部分;

(5)密封材料:为保护传感器的性能满足设计要求,适应外界环境的变化,刷涂,粘贴或封灌 在传感器 敏感栅上的一些材料,主要目的是防止外界的灰尘,潮气和有害气体侵蚀传感器,对产品 性能造成影响和破坏. 二.传感器制作工艺

(一)主要工艺步骤 贴片→组桥→ 补偿→测试→防护

(二)贴片过程简述 贴片就是利用胶粘剂 , 将应变计粘贴在弹性体上 , 并通过一定的条件 ( 升温 , 加压 ),使弹性体与 应变计紧密结合 , 从而达到由应变计来传递弹性体应力应变的过程. 贴片是整个传感器制造过程中 (机 械加工部分除外)关键工序,贴片质量的好坏,直接决定了一只传感器的性能,直接影响到传感器 的零点,零点补偿,滞后,蠕变,重复性,稳定性等关键指标.

(三)组桥过程简述 组桥是将应变计按一定的要求连成惠斯顿 电桥的过程. 组桥是由焊点打磨挂锡、 焊接导线的准备、 桥路的连接等步骤组成.

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(四)补偿过程简述 补偿指的是对连完桥的传感器零点输出和满量程输出的修正.

1、对零点输出的修正 传感器在应用于称重系统的时候, 由于要与仪表相配套使用, 因此需将其零位修正到一定的范围, 否则会增加整个测试系统的误差.同时,由于传感器在使用时环境温度的变化,也会引起零点输出 随时间温度变化而变化,则就需要在生产中对传感器零点进行补偿,将其在应用到系统中后受环境 影响而产生的变化降到符合使用要求的误差范围之内.

2、对满量程的修正 传感器在使用时 , 由于材料 受环境温度变化的影响 , 温度升高时其弹性模量变小 , 使得满量程输 出变大;

当温度降低时弹性模量变大,使得满量程变小.而这种满量程随输出温度变化而产生的变 化往往大大超出传感器所允许的误差范围,因此就需要对这一现象进行修正,即对满量程的修正, 也称之为温度灵敏度补偿. 一般的, 对温度灵敏度的补偿, 在设计产品时已按一定的参数进行了修正, 加入了桥路中.