應變片里面的材料隨著外界的應變伸長或縮短，其阻值也就會相應地變化。電阻應變式傳感器中應變電阻的變化極其微弱，僅為0.2%左 右，一般使用惠斯通電橋進行測量。其作為稱重傳感器使用時，將根據不同的量程選用不同的彈性體。通過典型電子秤線路的介紹，進一步分析了應 變式傳感器在電子秤中的應用。

1.引言

電子秤中的電阻應變式傳感器又稱稱重傳感器，是一種能夠將重 力轉變為電信號的力一電轉換裝置，是電子衡器的一個關鍵部件。能 夠實現力一電轉換的傳感器有多種，但絕大多數衡器產品所用的還是 電阻應變式稱重傳感器。電阻應變式稱重傳感器結構簡單，價格低 廉，精度較高，線性度好，且能夠在相對比較差的環境下使用。因此 電阻應變式稱重傳感器在電子衡器中得到了廣泛的運用。

2.電阻應變式傳感器的原理

導體或半導體材料在外力作用下伸長或縮短時，它的電阻值會相 應地發生變化，將應變片貼在被測物體上，使其隨著被測物的應變一 起伸縮，這樣應變片里面的金屬材料就隨著外界的應變伸長或縮短， 其阻值也就會相應地變化。應變片就是利用應變效應，通過測量電阻 的變化而對應變進行測量的。

2.1應變

電阻應變片分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩大類。在稱重 傳感器中大多數使用的是金屬電阻應變片^

將電阻絲排成柵網狀，粘貼在厚度約為15?16um的絕緣基片上， 電阻絲兩端焊出引出線，最后用覆蓋層進行保護，即成為應變片。使 用時只要將應變片貼于被測物體上就可構成應變式傳感器。

一般金屬應變片的電阻變化率為常數，應變片的阻值與應變成正 比例關系，即 AR/R=K e

其中R一一應變片原電阻值(Q)；

AR—一伸長或壓縮引起的電阻變化值（Q);

K一一比例常數（應變片常數）；

e一一應變，單位長度內的形變，應變分為拉伸和壓縮兩種，可 用正負號加以區別：拉伸一正（+ )；壓縮一負（一）。

2.2測量電橋

電阻應變式傳感器的使用方法主要有兩種。第一種是將應變片直 接粘貼于被測構件上，用來測量構件的應變或應力；第二種是將應變 片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成電阻應變式傳感器。彈性 元件將被測物理量轉換為成正比變化的應變，再通過應變片轉換為電 阻變化輸出。

電阻應變式傳感器應變電阻的變化是極其微弱的，電阻相對變化 率僅為0. 2%左右。要精確地測量這么微小的電阻變化是非常困難的， 一般的電阻測量儀表無法滿足要求。通常釆用惠斯通電橋電路進行測 量，將電阻相對變化AR—一R轉換為電壓或電流的變化，再用測量儀 表或電阻應變式傳感器專用測量電路便可以簡單方便地進行測量。

惠斯通電橋電路如圖1所示。Rl、R2、R3、R4為四個橋臂的電阻， 電橋的供電電壓為U，電橋輸出電壓為U。。在被測物體未施加作用力 時，應變為零，應變電阻沒有變化，四個橋臂的初始電阻滿足R1/ R2=R3/R4時，橋路輸出電壓U。為零，即橋路平衡。

如果電橋電壓U保持不變，電橋的輸出電壓U0可以用下式近似表

示：

U0^R1R2/(R1+R2)2*(AR1/R1-AR2/R2-AR3/R3+AR4/R4)U 如果四個橋臂的初始電阻滿足R1=R2=R3=R4，則上式可轉化為： 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 應變；

K——比例常數（應變片常數），不同的金屬材料有不同的比例常

數K。

3.稱重傳感器的構成及主要技術指標

3.1應變式稱重傳感器的構成

電阻應變式稱重傳感器由彈性元件、應變片和外殼所組成，電子 秤的稱重傳感器為電阻應變式稱重傳感器，其彈性元件是應變梁。彈 性元件是稱重傳感器的基礎，被測物的重量作用在彈性元件上，使其 在某一部位產生較大的應變或位移；彈性元件上的應變片作為傳感元 件，將彈性元件敏感的應變量或位移完全地同步地轉換為電阻值的變 化量，然而再通過測量電橋轉換成電信號，以完成對重力的測量。 目前，絕大多數生產廠家已將電阻應變片和彈性元件做成一體，集成 化。

3.2應變片的阻值

電阻應變片由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引 出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者 設計。但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大， 同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變 片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜；而電阻 太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。電阻應變片的阻值一 般均為幾十歐至幾十千歐左右。

3. 3激勵電壓

惠斯通電橋橋路需要一定的激勵電壓。橋路激勵電壓太高，橋路 電阻容易自熱；太低，又會使橋路輸出太小。一般約為幾伏到十幾 伏。

3.4靈敏度

如果傳感器的靈敏度為lmV/V，那么在5VDC激勵 電源作用下傳感器在額定載荷時的輸出信號應該為： Uout=S*Uin=lraV/V*5V-5mV

稱重傳感器的靈敏度一般在1?2 mV/V之間。

4.稱重傳感器的選擇

傳感器彈性元件一般是由優質合金鋼材、有色金屬鋁、鈹青銅等 材料制成，其外形結構多種多樣。常見的有柱式、懸臂梁式、環式、

輪輻式等。不同結構的傳感器的量程范圍、安裝形式和適用場所 也不盡相同。稱重傳感器的選擇，量程是最為重要的因素。

4.1柱式稱重傳感器

柱式稱重傳感器的結構和外形如圖2所示，其敏感元件為圓柱體， 在細的部位粘貼有四片或八片應變片。這種傳感器的特性是結構簡單 緊湊、易于加工，可設計成壓式或拉式，或拉、壓兩用式，此種稱重 傳感器可以承受很大的載荷。其缺點是靈敏度低、精度低等。常用于 大、中量程（1?5000電子秤。

4. 2柱環式稱重傳感器

柱環式稱重傳感器的結構與圓棒一體加工，在中央打孔，在孔內 粘貼有4個應變片，在集中載荷作用下，四個應變片可獲得大小相等而 方向相反的應變。其輸出靈敏度較高、線性度較好。常用于中、小量 程（0.5?50t)電子秤。

4. 3懸臂梁式稱重傳感器

如圖4所示稱重傳感器的彈性元件為雙孔平行梁式彈性元件，由于 彈性體成平行四邊形，因此其輸出不受力作用點位置變動的影響。常 用于小量（500g?500kg)電子押。

4. 4環式稱重傳感器

環式稱重傳感器的結構和外形如圖5所示。由于其載荷的作用點和 支持點在同一軸線上，因此它的受力狀態穩定。量程為5kg?5t電子秤 通常釆用此種結構的稱重傳感器，其精度可達0.02%。

4.5輪輻式稱重傳感器

輪輻式稱重傳感器結構主要由五個部分組成，輪轱、輪圈、輪輻 條、受拉和受壓應變片。輪輻和輪圏的剛度很大，因此其過載能力很 強，線性測量范圍也比較寬。量程為5?50t電子秤通常采用此種結構 的稱重傳感器。

5.小結

電子秤是稱重技術中的一種新型儀表，廣泛應用于各種場合。電 子秤與機械秤比較有體積小、重量輕、結構簡單、價格低、實用性 強、維護方便等特點，可在各種環境工作，重量信號可遠傳，易于實 現重量顯示數字化，易于與計算機聯網，實現生產過程自動化，帶來 社會效益和經濟效益。電子秤中的電阻應變式稱重傳感器，是一種能 夠將重力轉變為電信號的力一電轉換裝置，是電子衡器的一個關鍵部件絕大多數電子秤所用的還是電阻應變式稱重傳感器。。因此，電阻 應變式傳感器有著廣闊的前景。