第三章 称重传感器设计
3.1.2 传感器的分类
用于测控技术的传感器种类繁多，一种被测量可以用不同传感器来测量，而同一原理的传感器通常又可测量多种非电量，因此分类方法各不相同，目前尚没有统一的分类方法，了解传感器的分类旨在加深理解便于应用。一般常用的分类方法有以下几种： 1.按输入量分类
按输入量可分为温度、压力、位移、速度、湿度等传感器。这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据测量对象来选择所需的传感器。 2.按测量原理分类
现有传感器的测量原理主要是依据物理学各种定律和效应以及化学原理和固体物理学理论。如根据电阻定律，相应的有电位计式、应变式传感器；根据变磁阻原理工作的有电感式、差动变压器式、电涡流式等传感器；根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏等固态传感器，等等。 3.按输出量分类
按输出量分类有模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器的特点是输出信号为模拟量；数字式传感器的特点是输出信号为数字量。 4.其它分类
传感器通常也可按结构型和物性型分类。
（1）结构型 主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号。这种传感器目前应用得最为普遍。
（2）物性型 是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。
3.1.3 对传感器的要求
无论何种传感器，作为测量与控制系统的首要环节，通常都必须具有快速、准确、可靠且又经济的实现信息转换的基本要求，因此，对传感器有以下要求：
（1）足够的容量。传感器的工作范围或量程足够大；具有一定过载能力。 （2）与测量或控制系统相匹配性好，转换灵敏度高和线性程度好。 （3）反应快，工作可靠性好。
（4）精度适当，且稳定性好，即传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求，并长期稳定。
（5）适用性和适应性强，即动作能量小，对被测量的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响，使用安全等。
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（6）使用经济，即成本低、受命长，且易于使用、维修和校准。
完全能满足上述要求的传感器是很少有的。我们应根据应用的目的、使用环境、被测对象状况、精度要求和信号处理等具体条件全面综合考虑。
3.2 电阻应变式传感器
电阻应变式力传感器由于其良好的性能正越来越多的应用于各领域。随着传感器技术的迅猛发展，目前的电阻应变式力传感器的测量范围已经宽达从百分之一牛到几十兆牛，精度则达到0.005%甚至更高。
电阻应变式力传感器具有以下的特点：
（1）测量范围广。如应变力传感器可测量10-2～107N的力；应变式压力传感器可测量10-1～106Pa的压力；
（2）精度高。高精度应变式传感器的误差可达0.1％或更高； （3）输出特性的线性好；
（4）结构简单，使用方便，工作性能稳定、可靠；
（5）能在恶劣的环境条件下工作。这类传感器能在大加速度和振动的条件下工作，只要进行适当的结构设计及选用合适的材料，应变式传感器能在高温、低温、强腐蚀及核辐射的条件下可靠地工作。
（6）易于实现检测过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测； （7）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量； （8）可以测量多种物理量；
电阻应变式传感器由弹性元件、电阻应变敏感元件以及变换电路等组成。其一般的构造，是在一定形式的弹性元件上粘贴或用其他的方法安装电阻应变敏感元件。当力学量作用在弹性元件上时使弹性元件产生相应的变形，由于电阻应变敏感元件的应变电阻效应，此变形促使其上的电阻应变敏感元件阻值随之发生变化，变换电路将这一阻值变化变换成电压变化输出，电压变化量的大小就反映了被测力学量的大小。
下面我们就将从弹性元件的材料与结构形式、电阻应变敏感元件的转换原理以及变换电路、传感器温度补偿电路和测量电路等几个方面分别进行讨论。
3.2.1 弹性敏感元件
弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件之一，其质量的优劣直接影响传感器的性能及精度，有时还是传感器的核心部分。
弹性敏感元件能够感受力、压力、力矩、振动等待测参数，并由它变换为弹性敏感
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件本身的应变、位移（扰度）等，所以它是把被测参数由一种非电物理量转换成为所需要的另外一种物理量，直接起到测量的作用，故也可以称它为测量敏感元件。 1. 弹性元件的基本特征
弹性敏感元件的基本特性一般是用刚度和灵敏度来表征。 1）刚度
刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度表示。亦即刚度是弹性元件产生单位位移所需要的力（或压力）。如果用符号k代表刚度，则
?FdF k?lim( （3-1） )???d????0式中 F—作用在弹性元件上的外力；
ω—弹性元件产生的变形。 2）灵敏度
灵敏度是刚度的倒数，即它是作用于弹性元件上单位力（或压力）所产生的变形。如果用符号K代表灵敏度，则
K?d? （3-2） dF从上式可以看出，若以相同的力作用在弹性元件上时，变形大的灵敏度就高，变形小的灵敏度就低。与刚度相似，如弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各种受力情况下的变形量是不相等的。
在传感器设计中，有时要应用n个弹性敏感元件串联或并联（例如组合式弹性元件）。当弹性元件并联时，其灵敏度为
K?1?Ki?1n1i （3-3）
当弹性元件串联时，其灵敏度为
K??Ki?1ni （3-4）
式中 i—并联或串联弹性敏感元件的数目； Ki—第i个弹性敏感元件的灵敏度。 2. 弹性敏感元件材料的选择
衡量弹性敏感元件材料基本性能的主要指标是弹性储能（也叫应变能）。弹性储能是材料在开始塑性变形以前单位体积所吸收的最大弹性变形功。它表示弹性材料吸收变形功而不发生永久变形的能力。
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要选择好的弹性敏感元件的材料，必须要了解对弹性敏感元件材料有什么要求。 （1）材料的弹性模量
由于弹性元件上的应变直接与材料的弹性模量有关，因而弹性元件材料的弹性模量直接影响着传感器的性能。
（a）弹性模量与应变之间的关系
要求材料的弹性模量在传感器额定量程内保持不变。这样，当弹性元件结构是线性情况时，就可以使得应变敏感元件处的应变与力、位移或压力等物理量之间保持线性关系。
（b）弹性模量与温度之间的关系
大部分材料的弹性模量都随温度的升高而减小，因而，当外界温度改变时由于材料弹性模量随温度的升高而减小，就会造成传感器灵敏度的变化，对此必须进行线路的补偿。
（c）弹性模量随时间的稳定性
要求材料的弹性模量不随时间发生变化，也就是说在传感器使用寿命期间内材料的弹性模量不发生变化。由于弹性元件在机械加工和热处理后存在着残余应力将重新分布，使弹性元件出现附加变形，造成传感器的重复性能差，并且还会出现蠕变和零漂。另一方面残余应力还将使弹性元件在加载过程中出现局部屈服，造成弹性模量的改变和不稳定。因而，弹性元件材料应选用机械加工和热处理后残余应力小的材料，并且要对弹性元件进行消除残余应力的处理，如进行疲劳或表面腐蚀等。
（d）材料的加、卸载弹性模量
要求弹性元件材料在加载和卸载时的弹性模量相同，也就是要求材料不产生机械滞后，加载和卸载时的应力—应变曲线重合。否则，将造成传感器的迟滞。
（e）动态状态下弹性元件材料的弹性模量
作为动态传感器的弹性元件既要求在高频振动和冲击下的弹性模量不改变或改变很小，又要求有高的固有频率。 （2）材料的强度
要求材料的比例极限要高，这样弹性元件的工作应变区就大，相应的传感器的输出信号也就大。
同时，传感器都是多次反复使用的，因而希望使用寿命要高，对此就要求弹性元件材料的疲劳强度要高。通常要求弹性元件中的最大应变值在0～2000us脉动循环时，循环次数大于1?107而不发生疲劳破坏。 （3）材料的散热性能
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要求弹性元件材料的散热性能要好。由于电阻应变敏感元件在通电后要发热，传感器性能会随之发生变化，而此热量主要通过弹性元件散发，达到与周围环境的热平衡。即使在线路中采取了温度补偿措施，在传感器从通电到达热平衡的一段时间内，电阻应变敏感元件的热输出也是不稳定的。弹性元件的散热性好，达到热平衡的时间就短，所需稳定时间也就短，否则将需要很长的时间来使传感器输出稳定。 （4）材料的线性膨胀系数
要求弹性元件材料的线性膨胀系数要小。当外界温度变化时，弹性元件会产生变形，材料的线性膨胀系数越大，变形就越大。该变形将引起弹性元件的内应力，从而引起传感器的温漂及灵敏度的变化。 （5）材料的抗腐蚀性
要求材料的抗腐蚀性要好。传感器的使用时间长，且有不少是在有腐蚀性气体或液体的环境下工作的，如果弹性元件材料的抗腐蚀性能差，会由于弹性元件被腐蚀而使传感器灵敏度发生变化，因此要求弹性元件材料或其所加防护层能抗腐蚀。钛合金、弹性铌合金、半奥氏体不锈钢等材料都具有很好的抗腐蚀性能。 （6）材料的工艺性能及价格
要求弹性元件材料的工艺性能要好，易碾压、锻造、焊接、切削和热处理等，并且价格要便宜，以降低传感器的成本。 3. 国内外常用的弹性元件材料
国外传感器弹性敏感元件材料，主要使用的是合金结构钢。英、美、西德和瑞士等国多采用中碳镍铬钢；也有国家使用中碳铬锰硅钢及弹簧钢以至铁-镍恒弹合金及高速工具钢和价格昂贵的析出硬化型不锈钢。
国内也主要采用合金结构钢，如40Cr、30CrMnSiA等，对腐蚀性介质则采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。为减小温度的影响，也采用弹性模量温度系数很低的如5J53、5J32等的恒弹合金材料，在60～100℃时，其弹性模量温度系数仅为?10?10?6/℃，比一般材料的?3?10?4/℃低两个数量级。最近又发展了一种温度在300℃左右温度系数及线性膨胀系数均较好的高温恒弹合金，但由于价格昂贵、加工困难、机械性能差，一般仅用于低压传感器。
4. 弹性敏感元件的结构形式
常用力传感器弹性元件的形式可以分为梁式和环式。而梁式弹性元件按固定情况可分为悬臂梁及两端固定梁，按截面变化又可分为等截面梁、等强度梁及其他变截面梁，按所检测的变形形式又可分为拉压式、剪切式及弯曲式等，截面形式又有矩形、工字形、圆形及空心截面等形式。
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