模块二、重量检测.ppt
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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块二、重量检测 课件统一书号:ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站或 2015年2月第1版,(作者:梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫),本模块介绍“重量”、“质量”、“力”、“重力”等基本概念、重力测量的基本方法、应变计的组桥、零点调整、温度补偿、荷重传感器的选型、信号计算、汽车衡的安装及使用、故障诊断等知识,还介绍了皮带秤的应用。还介绍了计量领域经常用到的“检定”等概念。,内容简介,今天是:2023/11/15,知识链接:质量、重力与重量的基本概念项目一、商用电子秤项目二、汽车衡拓展资料、皮带秤,模块二、重量检测 目录,現在時間是:05:0
2、9,一、质量的基本概念(质量是国际单位制的7个基本单位之一),图2-1 放在抽真空玻璃器皿里的国际千克原器IPK,质量越大,惯性就越大,物体受力时运动状态的变化就越困难。物体受力后产生的加速度a与所受的力f成正比,与质量m成反比,三者之间的关系可以用下式表示:,a=F/m,二、重力、重量的概念,重力用字母W或F表示,单位用N表示。,W=mg,W为重力(N),m为质量(kg),g为重力加速度,项目一 商用电子秤,【项目教学目标】知识目标1)掌握应变计和直流电桥的工作原理。2)熟悉商用电子秤的工作原理。技能目标1)掌握应变计组桥及零位调整方法。2)熟悉电子秤的选型。,現在時間是:*,任务一 认识应
3、变计,导体或半导体材料在外界力的作用下,会产生机械变形,其电阻值也将随着发生变化,这种现象称为应变效应。电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元件及测量转换电桥电路等组成。,应变原理演示,金属丝受拉时,l 变长、r 变小,导致R变大。,应变片的工作原理,1拉伸前 2拉伸后,电阻丝受拉后,长度增加,直径变小,电阻变大。,应变片的结构,1引出线 2覆盖层 3基底 4电阻丝,l:应变片的工作基长,b:应变片基宽,bl:应变片的有效使用面积。,应变片的电阻相对变化量与力的关系,应变片中的电阻丝的电阻相对变化量R/R,与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的,即x=F/(AE),设K 为灵敏度,
4、金属材料的面积为A,弹性模量 为E,则 R/R又可表示为,微应变(),对于不同的金属材料,K 略有不同,一般为2左右。而对半导体材料而言,由于其感受到应变时,电阻率 会产生很大的变化,所以灵敏度比金属材料大50200倍。,在材料力学中,x=l/l称为电阻丝的轴向应变,也称纵向应变。x通常很小。例如,当x为0.000001(10-6)时,在工程中常表示为1m/m或 1微应变(1)。对金属材料而言,受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3,即应小于1000m/m(1000),否则有可能超过材料的极限强度而导致非线性或断裂。,应变片的分类,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成
5、金属丝式、箔式、薄膜式等。,a)金属丝式 b)金属箔式 c)金属箔式外形 d)半导体应变片1电阻丝 2金属箔 3半导体 4基片 5引脚 6定位标记 7金丝,金属丝式应变片的结构,金属丝式与箔式应变片的区别,金属丝式应变片蠕变较大,金属丝易脱胶,逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜,多用于大批量、一次性试验。,箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接触面积大得多,散热条件较好,在长时间测量时的蠕变较小,一致性较好,目前广泛用于电子秤等各种应变式传感器中。,焊接温度250,不同测量方向的金属箔式应变片图形,半导体应变片,以N型和P型硅为基底,利用扩散、外延和
6、薄膜工艺制成的。主要优点是灵敏度比金属应变片高很多。缺点是:灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。在使用时,需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施。,某系列应变片主要性能指标,上表中,哪几个型号是半导体应变片?依据是什么?,任务二、应变片的粘贴 1)检查通断。,2)在选定贴应变片的位置划出十字线。,3)再用细砂纸精磨(45度交叉纹)。,4)用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面,擦几遍后,不可再用手接触表面。,5)用透明胶带将应变片与构件在引脚处临时固定,移动胶带位置使应变片达到正确定位。,6)在应变片的反面涂上一滴快干胶水,视应变片面积而定,胶水量不宜过多。,7)将塑料薄膜盖在应变
7、片上,用母指按压挤出多余胶水,按压时间一般1分钟,室温低时适当延长。,8)为了使胶水可靠固化,可用电吹风微加热处理(注意距离和均匀),用万用表测量应变片绝缘电阻值,应大于20M。,9)将应变片引线焊接在接线片上,焊点要光滑牢固。引线不能绷紧,需形成弧线与接线片相连。,10)将连接应变仪的导线焊接在接线片上(焊接时间尽量短),把导线用绝缘胶带固定在构件上,再一次检查应变片质量。,11)在应变片周围涂上软硅胶(防潮、防损伤)。,12)硅胶固化后,应变片粘贴工作完毕。但要再次检查应变片的阻值和绝缘情况。,13)固定:,粘贴、焊接后,用胶布将引线和被测对象固定在一起,防止拉动引线和应变片。,材料受拉应
8、变的测量,将应变片粘贴在受力的斜拉桥上的斜拉绳端部的圆柱上,测量每一根斜拉绳的应变,从而计算出所受大批量汽车上桥后所增加的的拉力,检验拉力是否超过设计值。,管桩材料的侧向风力产生的应变测量,工作人员正在贴应变片,应变片粘贴在管桩上,四片应变片可组成全桥,任务三 惠斯通电桥组桥非平衡电桥,金属应变片的电阻变化范围很小,如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难,且误差很大。例:金属箔式应变片的标称阻值R0为100,灵敏度K=2,粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上,钢的弹性模量E=21011N/m2,所受拉力F=0.2t,受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2。所以必须使用非平衡电桥来
9、测量这一微小的变化量,将R/R转换为输出电压Uo。,非平衡电桥的主要功能去除“本底”,用计算机直接测应变片电阻的变化量是很困难。这是因为测量一个在几百欧的基值上附加一个零点几欧的变化的分辨力很低。用电桥可以把被测量的本底去掉,转换成一个在零值附近变化的毫伏级的输出电压,这样就可以通过“电桥放大电路”来放大这个微小的变化电压,使之达到几伏数量级的有效输出信号,接到A-D转换器。,非平衡电桥的结构,非平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的回路,每一边称作电桥的“桥臂”。有4个结点a、b、c、d。在a、c结点之间接入电源Ui,而另一对结点(b、d)之间的电压差作为输出电压Uo端。,
10、b、d点对负极(a点)的电压相等时称作“电桥平衡”;反之,b、d两点电位差不为零时称作“电桥不平衡”。,非平衡电桥的输出电压,若桥路的4个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相同,桥路的输出电压为零。若相邻电阻的电阻值变化趋势相反,桥路就产生输出电压:,电桥平衡的条件:R1/R2=R4/R3或R1R3=R4R2,4个桥路电阻的比例通常不可能完全相同,因此必须设置“调零电位器”RP,调节RP,最终可以使 R1/R2=R4/R3(R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻),电桥趋于平衡,Uo被预调到零位,这一过程称为调零。,图中的R5的作用是减小调节范围,也称限流电阻。,非平衡电桥可以分为单臂、双臂、全
11、桥,单臂半桥:四个桥臂中,只有一个电阻的电阻可变,R1为应变片,R2、R3、R4为固定电阻(低温漂的锰合金电阻)桥路的输出电压为:,单臂半桥的灵敏度最低,温漂最大。,单臂电桥示意图,电桥放大电路(差动减法电路),.,双臂半桥,R1、R2为应变片,R3、R4为固定电阻(低温漂的锰合金电阻)。应变片R1、R2 感受到的应变1、2相反,产生的电阻增量正负号相反,可以使输出电压Uo成倍地增大:,四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片,如果设法使试件受力后,应变片R1 R4产生的电阻增量(或感受到的应变14)正负号相间,就可以使输出电压Uo成倍地增大。,输出电压:,单臂、双臂半桥、全桥工作方式中,哪一种灵敏
12、度最高?哪一种灵敏度最低?,全桥的温度自补偿原理,当环境温度升高时,四个桥臂上的应变片温度t 同时升高,假设温度引起的电阻值漂移数值一致,就可以相互抵消,所以全桥能实现温度自补偿:,双臂半桥的温度自补偿,温度升高,R1、R2同时增大(R3、R4不变)则:,又由于热胀冷缩,温度升高时,被测物的长度增加,应变片被拉长,引起测量误差,必须另外增加一个补偿块。,单臂半桥无法实现温度自补偿。,任务四 商用电子秤的工作原理分析,一、商用电子秤的分类(1)按功能分类 计数秤、计价秤、计重秤。(2)按用途分类 工业秤、商业秤、特种秤。(3)按放置位置分类 4150kg的人体秤、030kg的案秤(桌秤)、303
13、00kg的台秤、称量在300kg以上的地磅、称量在1t以上的吊秤等。(4)按准确度分类 I级特种天平(误差10-5);II级高准确度天平(误差10-4);III级中准确度秤(误差1/1 000);IV级普通秤(误差1/100)。,一、商用电子秤的分类(续),(5)按信号传输方式分类:模拟电流(420mA)式、RS232/RS485总线式、USB总线式、以太网路式、无线射频(RF2.4G)式、蓝牙式等。,(6)按显示器分类:LED式、有背光LCD式等。(7)按供电方式分类:交流供电式、电池(可充电式)等。自动落料电子秤,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,由单片机扣除温漂和毛重,人体秤,怎样才
14、能节电?怎样才能适合盲人使用?,电子人体秤中,四个角都装了电阻应变片,四角接成全桥,由单片机测量桥路电压,并换算出被称量的体重。,吊钩秤,便携式,如何将重量信号传送到总控室中的计算机上?,二、商用电子秤的型号及含义,商用电子秤内置有高准确度称重传感器和称重显示仪表,具有计量准确、读数简便等特点。商用电子秤型号的型号有:ACS-30-C、TCS-1 000-D等。C级的分度值为50010 000,D级的分度值为110 000。,图2-7 商用电子秤型号的含义,三、商用电子秤的主要性能指标,允许最大绝对误差:等级检定时允许的最大偏差m。最小感量:所能显示的最小刻度,通常用“d”来表示。国家规定最小
15、刻度等于检定分度值e,即d=e。例如:某一电子秤的规格为60kg5g,则5g即为最小刻度或最小感量。分度数n(也称刻度间隔数):将最大称量除以最小感量,就等于分度数。检定分度值e:将最大称量除以分度数,就等于检定分度值。最小静载荷输出恢复:施加100%最大量程的负载30min后再卸载。读数不应超过e/2。迟滞:又称回差或变差,是指传感器正向特性和反向特性不一致的程度。,例2-1 某电子秤的规格为ACS-100-,10g(最小感量)起跳,求:该电子秤的分度数。,解 该电子秤为案秤,每10g为一个刻度或数显面板最低位代表的数值,即e=10g,最大称量为100kg,则分度数或刻度间隔数为:n=(10
16、0kg1 000)/10g=10 000又如,某电子秤的秤量为6000g,最小刻度(最小感量)为0.5g,则准确度=0.5g/6000g=1/12000。,图2-8 电子秤的正/逆向迟滞特性1正向特性 2反向特性,案秤的组成,案秤主要由承重系统(秤盘、秤台)、传力转换系统(称重传感器),和示值系统(刻度盘、电子显示仪表)三部分组成。电子秤电路由应变桥路、放大器、A-D转换电路、微处理器电路、显示电路、键盘电路、通讯接口电路、稳压电源电路等组成。,1力转换为应变的弹性敏感元件,图2-9 力转换为应变的弹性敏感元件(放大图见后页)a)实心轴 b)空心轴 c)、d)等截面圆环 e)、f)变形的圆环
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