项目四：电子健康秤.doc

项目四 电子健康秤
项目描述：
在实际生活中，电子健康秤的应用非常广泛。本项目主要介绍电阻应变式传感器的特性及测量电路。
技能要点：
通过本项目，学会识别一般的电阻应变式传感器，了解其的基本结构和制作材料，通过实验掌握电阻应变式传感器的使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。
知识要点：
掌握电阻应变式传感器的工作原理及基本特点。熟悉电阻应变片的温度补偿方法。
任务一 认识电子健康秤
各种电子秤

图4-1 常见电子称

电子秤主要由承重系统（如秤盘、秤体）、传力转换系统（如杠杆传力系统、传感器）和示值系统（如刻度盘、电子显示仪表）3部分组成。按结构原理可分为机械秤、电子秤、机电结合秤三大类。
1.实现远距离操作；人体健康秤
2.实现自动化控制；
3.数字显示直观、减小人为误差；
4.准确度高、分辨率强；
5.称量范围广；
6.特有功能：扣重、预扣重、归零、累计、警示等；
7.维护简单；
8.体积小；
9.安装、校正简单；
10.特种行业，可接打印机或电脑驱动；11.智能化电子秤，反应快，效率高；
任务二 认识电阻应变式传感器及应变片
一、验证应变效应
1.取一段系电阻丝，两端接上一台三位半数子式欧姆表，记下其初始阻值是多少。当用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加，之后用欧姆表测其阻值。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。
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图4-2 电阻应变片
1-敏感栅；2-引线；3-粘结剂；4-覆盖层；5-基底

2.电阻应变效应是指外力作用于金属或半导体材料,使其发生机械变形,此时金属或半导体材料的电阻值就会随之发生变化。
二.、电阻应变片的结构与分类
1.电阻应变片的结构如图4-2所示，一共有五部分组成。
（1）敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。
（2）引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。
（3）粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结材料，用它将敏感栅固定在基底上。
（4）覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层。
（5）基底：用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和相对位置。
2.按电阻应变片敏感栅材料的不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。
图4-3 a、c回线式  b、d短接式
（1）金属电阻应变片的种类金属电阻应变片种类繁多，形式多样，但常见的基本结构有金属丝式应变片、金属箔式应变片和薄膜式应变片。其中金属丝式应变片使用最早、最多，因其制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。 
金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图4-3所示。但回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。
短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。
箔式应变片是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花，如图4-4为箔式应变片。
图4-4 箔式应变片
优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积大； ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④.横向效应小。⑤.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。
缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。
薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。
（2）半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率ρ发生变化的现象。
三、.电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。
四、认识弹性敏感元件
1.弹性元件的基本特性
如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形。具有这类特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。
（1）弹性敏感元件的基本特性：
①.刚度：
刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力（或压力），其表达式为：

②.灵敏度：
刚度的倒数称为灵敏度，也叫做柔度。
灵敏度表示弹性敏感元件在承受单位输入量（力、压力等）时所产生的变形大小，一般用K表示，

弹性元件的刚度和灵敏度是两个完全等效的概念，可根据需要和场合选用其一。
③.弹性滞后和弹性后效：
弹性滞后是指在弹性范围内，弹性元件在加载与卸载时特性曲线不重合的现象。
弹性后效是指载荷改变后，弹性元件的输出变形不是立即完成，而是在一定时间间隔内逐渐完成的现象。
弹性滞后和弹性后效是同时发生的，分别反映了弹性元件的静态特性和动态特性，统称为迟滞误差或滞后误差，用δch表示：
弹性元件产生滞后和后效的原因主要有：①弹性元件内部的最大应力；②所用材料的金相组织结构与化学成分；③弹性元件的加工及热处理等。(分子间存在内摩擦)
解决弹性元件滞后和后效的方法主要有：①选取较大的安全系数；②合理地选定机构和元件的连接方式，以减少应力集中；
2.几种常用弹性敏感元件介绍
根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要求，如具有好的弹性特性、足够的精度等。因而对制作弹性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如弹性模量的温度系数要小、有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合金钢、碳钢、铜合金和铝合金等材料。
（一）膜片、膜盒
1.结构和用途：
图4-5 膜片
（1）结构：膜片是一种周边固定的圆形弹性薄片；根据轴向截面形状的不同分成平膜片和波纹膜片两种。为了便于膜片与输出机构的其他零件相连，一般在膜片中心焊有硬芯。
（2）用途：
① 测量压力、压差的弹性敏感元件；
② 用于隔离两种流体介质——隔离膜片。
（3）材料：分为金属和非金属两大类。
（4）测压范围及尺寸：从几个mm——几百个大气压；直径从几个mm——几百个mm；金属膜片厚度为0.06mm——1.5mm；非金属膜片厚度为0. 1mm——5mm 。
（5）波纹膜片的特点：与平膜片相比，波纹膜片的容许位移较大，即位移的线性区域较大；灵敏度较高；工作更可靠。在外廓尺寸不大时，可以得到较大的集中力——有效面积大；适当选取波纹形状可以得到不同的输出特性。
（6）膜盒与膜盒组：
把两个膜片沿边缘焊接在一起制成膜盒。在输入量相同的条件下，膜盒的输出位移比膜片增大近一倍，提高了测量灵敏度。把几个膜盒首尾相连构成膜盒组，相当于弹性元件的串联使用，同样可使灵敏度大大提高。
（二）波纹管
图4-6 波纹管
1.结构：波纹管是一种具有环形波纹的圆柱形薄壁管，如图4-6所示。
2.工作原理及特点：
（1）工作原理：在轴向力的作用下波纹管将伸长或缩短；在横向力的作用下波纹管将在轴向平面内弯曲。
图4-7 弹簧管
（2）特点：波纹管在很大的变形范围内与压力具有线性关系，有效面积比较稳定。波纹管的滞后误差较大，刚度较小。
（三）弹簧管（包端管）
弹簧管又称波登管，它是弯曲成各种形状的空心管子，大多数是C型弹簧管，如图4-7所示。它是一端封闭的特种成型管，当管内和管外承受不同压力时，则在其弹性极限内产生变形，弹簧管是压力测量仪表中的一种压力检出元件。
任务三 了解测量电路及温度补偿电路
图4-8 电桥电路
一、了解电阻应变片的测量电路
为了把应变片电阻的微小变化测量出来，需要用转换电路将电阻应变片电阻值的变化转换为电压或电流的变化，再由仪表显示数据。工程中通常用桥式电路作为电阻应变片的测量电路，按照电桥的电源性质不同，桥式电路可分为直流电桥和交流电桥。一般多采用直流电桥。
电桥电路如图4-8示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。
当时，电桥输出电压U0为

当电桥平衡时,U0=0，所以:R1 R4= R2 R3或R1/R2 =R3/R4此为桥式平衡条件。根据电阻变化输入电桥的方法不同， 可以分为单臂、 半桥和全桥输入三种方式。
二、温度补偿电路
在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻发生改变外，温度也会导致应变片电阻发生变化，它会导致测量的误差。常用的补偿法有补偿块补偿法和桥式自补偿法。
1.补偿块补偿法
测量应变时，使用两个相同的应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1 。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。把R1与R2接入电桥相邻臂上，当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，以达到温度补偿。
2. 桥式自补偿法
当测试电路处于双臂半桥或全臂全桥工作方式时，与上述补偿块补偿法的工作原理相似，桥式电路相邻两臂受温度影响，同时产生大小相等、符号相同的电阻增量而相互抵消，从而达到桥式温度自补偿的目的。
任务四　　实验　金属箔式应变片压力特性试验
见附录1

[思考与训练]
一、填空
1．导体、半导体应变片在皮力作用下电阻值发生变化，这种现象称为 效应。
2.电阻应变片有 、 、 和 等部分组成。其中 是应变片的核心部分。
3．电阻应变片在实际应用中，常用的两种补偿方法是 和 。
4．如前文中图3-3所示，电桥平衡条件为 。
5. 按 材料不同，电阻应变片可分为 和半导体应变片两大类。前者的敏感栅有 、 和 三种类型。
二、选择
1．通常用应变式传感器测量( )。
A．温度 B．密度 C．加速度 D．电阻
2.电桥测量电路的作用是把传感器的参数变化转化为( )的输出。
A．电阻 B.电容 C．电压
3.根据工作桥臂不同，电桥可分为( )。
A．单桥单臂 B.半桥双臂
C．全桥输入 D．全选
三、判断
1.电阻应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。 ( )
2.按电桥电源性质不同，桥式电路可分为交流电桥和直流电桥电路。( )
四、简答
1.什么是应变效应？
2.何谓电阻应变式传感器？
3.电阻应变片为什么要进行温度补偿？