新型厚膜式称重装置的研制

　　引言

　　目前国内研究和生产称重装置的单位较多，品种各异，但绝大多数产品的基本结构是在金属弹性体上粘贴金属箔式应变片或半导体应变片，其工作原理是当弹性体负荷后将引起形变，同时粘贴在上面的应变电阻也相应发生变化利用这种电阻变化，将所测的力信号转变成电信号。这类称重装置普遍存在着蠕变大，输出温漂大等问题，这主要是由于基底—粘合剂随着时间、温度缓慢地释放应变，并将造成应变和载荷间的非线性。另外，弹性体加工复杂，成本高，所用的金属弹性体制作需经机械加工，热处理等多道工序。上述状况，严重限制了称重装置和民用电子秤的推广应用。

　　本文提出的这种新型厚膜式称重装置是以，热压铸成型的陶瓷双孔梁为弹性体，其成本低，适宜大批量生产，而且力学、机械、热学性能好，直到断裂前都严格服从虎克定律，无塑性变形，应变电阻用厚膜工艺，直接印刷，烧结在弹性体上，不需粘贴，避免了胶粘引起的蠕变和迟滞。

　　二、工作原理及分析

　　1、力敏元件的结构及原理

　　图1为测力元件的结构和原理，在弹性体陶瓷的1-4位置上，采用厚膜工艺制作R,-}-R‘四个厚膜力飞敏电阻，并由导带连接成全桥。当测量的力F作用在陶瓷双孔梁上时，R,和R3受拉，阻值增大，Rz和R;受压，阻值减小，则桥路产生与力F信号成正比的电信号。

　　2、计算和分析

　　根据图1的结构形式，应变量。为

　　式中:M-弯矩，W—抗弯模数，E—杨氏模量。对矩形截面

　　式中:b一弹性体承载截面寞度，h一弹性体承载梁厚度。对于全桥电路，其输出电压U。和供桥电压U1有以下关系:

　　K—应变电阻的灵敏系数。

　　M的计算作如下分析，如图2所示。

　　取A=A剖面，由此剖面分析，负荷F必须由一对剪力。取一应变电阻来分析，-对应变电阻中心点o的弯矩为Mo.

　　由以上各式，可得出

　　根据对上述双孔梁弹性体的计算可知:桥路的输出和载荷之间具有良好的线性，而且灵敏度高。

　　3.信号处理

　　由于厚膜力敏元件上仅获得几十毫伏信号，所以该信号需进行放大，转换和显示处理，最终能在装置上精确地显示出与所负荷的力相同的读数，为此设计了如下电路。

　　图3中运算放大器选择了新型的AD626差分放大器;它由精密的平衡衰减器，低漂移前置放大器和输出缓冲放大器组成。能对小差分信号精确地放大和滤波，且不需要使用任何其它有源元件，接一个外部电阻就很容易得到10-100的增益。