基于电阻应变计的称重装置

1　引　言

    电阻应变片测试技术具有很多优点,应变计尺寸小,重量轻,安装方便,一般不会干扰构件的应力状态,测量灵敏度与精度也比较高,在航天工程、交通工程和土木建筑等各行业中用于结构应力应变测量和加载量测试控制。也可以制成各种高精度传感器,测量力、压力、位移、加速度等力学量。各种传感器与数字电路结合可制作成各种电子秤、汽车衡、地轨衡、计价秤、人体秤、吊车秤等衡器,用于各种商业、运输、医疗等领域。

    力和重量的检测仪表根据测力称重传感器的工作原理分为两类:一类是利用某些物质受力作用时,其固有物理特性发生变化,如磁弹性式、压电式、振弦式等。另一类是利用物体受力作用产生的弹性变性,测定其变形量来测量其受力的大小,这一类有电阻应变式、电感式等。在秤重仪表中主要采用电阻应变式称重仪表,因为它具有精度高、响应快、测量范围宽等特点。在使用环境较差、力值较大的测量中,则以磁弹性式测力仪表较为理想。它具有传感结构高度低,耐油、耐水、抗干扰性能良好等优点。振弦式测力仪表则大多数应用于土压力测量中。压电式测力仪表适用于对动态力的测量。

    本文针对电阻应变仪各个行业广泛使用的特点,设计了悬臂梁式称重装置,通过在悬臂梁上粘贴电阻应变计,利用悬臂梁的受力变形特点,将应变通过电阻应变计转化成电阻变化,并由电阻应变仪进一步将电阻变化转变为电信号,从而达到远程传输处理和控制的目的,便于高校、研究所及企业使用。

2　测量原理

    装置是基于电阻应变式称重传感器的原理及应用。根据货物质量测量范围对材料加以选择,利用悬臂梁的受力变形特点,将应变通过电阻应变计转化成电压,经过电桥输出直流电压,电压信号放大转化为数字信号显示出来,即可得到货物的质量。装置的结构如图1所示,采用相同的六根悬臂梁作为受力构件,在每根悬臂梁上下表面各贴一片应变计,如图2所示。下面对其中的一根进行受力分析。在图3中,所示的悬臂梁中有:

    在梁的a处上下表面均贴上电阻应变计,R₁至R₆分别粘贴在六根梁上表面,R₇至R₁₂分别粘贴在六根梁的下表面,采用半桥接法,将R₁至R₆串联接入惠斯通电桥的一个桥臂,将R₇至R₁₂串联接入惠斯通电桥的另一个桥臂,则:

可见电压输出值与质量成线性对应关系。

3　结构尺寸的选择

    在选择材料时,从梁的受力范围来考虑,其应变的变化范围,过小则测量的精度低,过高则超出电阻应变计的应变范围。而且还要考虑在不利的载荷下梁的最不利位置是否屈服,其悬臂梁力学模型和应变片粘贴位置如图3所示。综合考虑,梁的材料采用Q235钢材,E=2·1×10¹¹Pa。梁的各部分尺寸为: