电阻应变式传感器在电子秤中的应用

应变片里面的材料随着外界的应变伸长或缩短，其阻值也就会相应地变化。电阻应变式传感器中应变电阻的变化极其微弱，仅为0.2%左 右，一般使用惠斯通电桥进行测量。其作为称重传感器使用时，将根据不同的量程选用不同的弹性体。通过典型电子秤线路的介绍，进一步分析了应 变式传感器在电子秤中的应用。

1.引言

电子秤中的电阻应变式传感器又称称重传感器，是一种能够将重 力转变为电信号的力一电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。能 够实现力一电转换的传感器有多种，但绝大多数衡器产品所用的还是 电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构简单，价格低 廉，精度较高，线性度好，且能够在相对比较差的环境下使用。因此 电阻应变式称重传感器在电子衡器中得到了广泛的运用。

2.电阻应变式传感器的原理

导体或半导体材料在外力作用下伸长或缩短时，它的电阻值会相 应地发生变化，将应变片贴在被测物体上，使其随着被测物的应变一 起伸缩，这样应变片里面的金属材料就随着外界的应变伸长或缩短， 其阻值也就会相应地变化。应变片就是利用应变效应，通过测量电阻 的变化而对应变进行测量的。

2.1应变

电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。在称重 传感器中大多数使用的是金属电阻应变片^

将电阻丝排成栅网状，粘贴在厚度约为15?16um的绝缘基片上， 电阻丝两端焊出引出线，最后用覆盖层进行保护，即成为应变片。使 用时只要将应变片贴于被测物体上就可构成应变式传感器。

一般金属应变片的电阻变化率为常数，应变片的阻值与应变成正 比例关系，即 AR/R=K e

其中R一一应变片原电阻值(Q)；

AR—一伸长或压缩引起的电阻变化值（Q);

K一一比例常数（应变片常数）；

e一一应变，单位长度内的形变，应变分为拉伸和压缩两种，可 用正负号加以区别：拉伸一正（+ )；压缩一负（一）。

2.2测量电桥

电阻应变式传感器的使用方法主要有两种。第一种是将应变片直 接粘贴于被测构件上，用来测量构件的应变或应力；第二种是将应变 片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成电阻应变式传感器。弹性 元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电 阻变化输出。

电阻应变式传感器应变电阻的变化是极其微弱的，电阻相对变化 率仅为0. 2%左右。要精确地测量这么微小的电阻变化是非常困难的， 一般的电阻测量仪表无法满足要求。通常釆用惠斯通电桥电路进行测 量，将电阻相对变化AR—一R转换为电压或电流的变化，再用测量仪 表或电阻应变式传感器专用测量电路便可以简单方便地进行测量。

惠斯通电桥电路如图1所示。Rl、R2、R3、R4为四个桥臂的电阻， 电桥的供电电压为U，电桥输出电压为U。。在被测物体未施加作用力 时，应变为零，应变电阻没有变化，四个桥臂的初始电阻满足R1/ R2=R3/R4时，桥路输出电压U。为零，即桥路平衡。

如果电桥电压U保持不变，电桥的输出电压U0可以用下式近似表

示：

U0^R1R2/(R1+R2)2*(AR1/R1-AR2/R2-AR3/R3+AR4/R4)U 如果四个桥臂的初始电阻满足R1=R2=R3=R4，则上式可转化为： UQ?U/4(AR1/R1 —AR2/R2—AR3/R3+AR4/R4)

艮P U0^U/4*K( e 1- e 2- e 3+ ￡ 4)

式中e 应变；

K——比例常数（应变片常数），不同的金属材料有不同的比例常

数K。

3.称重传感器的构成及主要技术指标

3.1应变式称重传感器的构成

电阻应变式称重传感器由弹性元件、应变片和外壳所组成，电子 秤的称重传感器为电阻应变式称重传感器，其弹性元件是应变梁。弹 性元件是称重传感器的基础，被测物的重量作用在弹性元件上，使其 在某一部位产生较大的应变或位移；弹性元件上的应变片作为传感元 件，将弹性元件敏感的应变量或位移完全地同步地转换为电阻值的变 化量，然而再通过测量电桥转换成电信号，以完成对重力的测量。 目前，绝大多数生产厂家已将电阻应变片和弹性元件做成一体，集成 化。

3.2应变片的阻值

电阻应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引 出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者 设计。但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大， 同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变 片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂；而电阻 太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。电阻应变片的阻值一 般均为几十欧至几十千欧左右。

3. 3激励电压

惠斯通电桥桥路需要一定的激励电压。桥路激励电压太高，桥路 电阻容易自热；太低，又会使桥路输出太小。一般约为几伏到十几 伏。

3.4灵敏度

如果传感器的灵敏度为lmV/V，那么在5VDC激励 电源作用下传感器在额定载荷时的输出信号应该为： Uout=S*Uin=lraV/V*5V-5mV

称重传感器的灵敏度一般在1?2 mV/V之间。

4.称重传感器的选择

传感器弹性元件一般是由优质合金钢材、有色金属铝、铍青铜等 材料制成，其外形结构多种多样。常见的有柱式、悬臂梁式、环式、

轮辐式等。不同结构的传感器的量程范围、安装形式和适用场所 也不尽相同。称重传感器的选择，量程是最为重要的因素。

4.1柱式称重传感器

柱式称重传感器的结构和外形如图2所示，其敏感元件为圆柱体， 在细的部位粘贴有四片或八片应变片。这种传感器的特性是结构简单 紧凑、易于加工，可设计成压式或拉式，或拉、压两用式，此种称重 传感器可以承受很大的载荷。其缺点是灵敏度低、精度低等。常用于 大、中量程（1?5000电子秤。

4. 2柱环式称重传感器

柱环式称重传感器的结构与圆棒一体加工，在中央打孔，在孔内 粘贴有4个应变片，在集中载荷作用下，四个应变片可获得大小相等而 方向相反的应变。其输出灵敏度较高、线性度较好。常用于中、小量 程（0.5?50t)电子秤。

4. 3悬臂梁式称重传感器

如图4所示称重传感器的弹性元件为双孔平行梁式弹性元件，由于 弹性体成平行四边形，因此其输出不受力作用点位置变动的影响。常 用于小量（500g?500kg)电子押。

4. 4环式称重传感器

环式称重传感器的结构和外形如图5所示。由于其载荷的作用点和 支持点在同一轴线上，因此它的受力状态稳定。量程为5kg?5t电子秤 通常釆用此种结构的称重传感器，其精度可达0.02%。

4.5轮辐式称重传感器

轮辐式称重传感器结构主要由五个部分组成，轮轱、轮圈、轮辐 条、受拉和受压应变片。轮辐和轮圏的刚度很大，因此其过载能力很 强，线性测量范围也比较宽。量程为5?50t电子秤通常采用此种结构 的称重传感器。

5.小结

电子秤是称重技术中的一种新型仪表，广泛应用于各种场合。电 子秤与机械秤比较有体积小、重量轻、结构简单、价格低、实用性 强、维护方便等特点，可在各种环境工作，重量信号可远传，易于实 现重量显示数字化，易于与计算机联网，实现生产过程自动化，带来 社会效益和经济效益。电子秤中的电阻应变式称重传感器，是一种能 够将重力转变为电信号的力一电转换装置，是电子衡器的一个关键部件绝大多数电子秤所用的还是电阻应变式称重传感器。。因此，电阻 应变式传感器有着广阔的前景。