應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量的傳感器介紹

電子力傳感器有各種形式和尺寸可供選擇，從小型單個(gè)應(yīng)變計(jì)到精密設(shè)計(jì)的稱重傳感器。了解操作原理和可能的錯(cuò)誤來(lái)源有助于選擇和安裝，以確保從實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)監(jiān)控到批量稱重，車輛安全，機(jī)器人和醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用的準(zhǔn)確測(cè)量和長(zhǎng)期可靠性。

應(yīng)變計(jì)：力測(cè)量的基本構(gòu)建塊

應(yīng)變計(jì)可以是導(dǎo)線或蝕刻金屬導(dǎo)體，布置成在受到拉伸或壓縮時(shí)表現(xiàn)出可測(cè)量的電阻變化。當(dāng)壓力表牢固地固定在材料或結(jié)構(gòu)上時(shí)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)其電氣響應(yīng)來(lái)檢測(cè)所施加的任何機(jī)械力的大小。

應(yīng)變計(jì)可以用作分立元件，并且有多種形式可供選擇適用于實(shí)驗(yàn)室用途，設(shè)計(jì)機(jī)械部件或監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)以提高性能或安全性的類型。當(dāng)被監(jiān)測(cè)樣品連接時(shí)，儀表的特性及其方向?qū)y(cè)量精度有重要影響。

圖1：通用蝕刻金屬箔應(yīng)變計(jì)。

現(xiàn)成的離散應(yīng)變計(jì)可能包含金屬箔，經(jīng)過(guò)光刻蝕以產(chǎn)生合適的方向應(yīng)變敏感圖案并安裝在聚酰亞胺或增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂載體，如圖1所示。金屬合金的類型對(duì)儀表的性能有重要影響?？邓固苟?，有時(shí)稱為A合金，具有高應(yīng)變靈敏度和高電阻率等特性，可實(shí)現(xiàn)小尺寸的傳感器。通過(guò)在寬的應(yīng)變水平和溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出相對(duì)低的電阻溫度系數(shù)和穩(wěn)定的機(jī)械性能，康銅通常是用于通用儀表的優(yōu)選合金。康銅的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以加工合金以達(dá)到特定的自溫補(bǔ)償值（STC），以匹配各種測(cè)試材料的熱膨脹系數(shù)。

CEA系列康銅Micro-Measurements（Vishay Precision Group的一個(gè)部門）的通用應(yīng)變計(jì)包括各種型號(hào)，如CEA-06-125UN-350，其STC編號(hào)為06，標(biāo)稱電阻為350Ω。 CEA系列壓力表的正常靜態(tài)工作溫度范圍為-75°C至175°C，而對(duì)于需要更寬溫度范圍的應(yīng)用，LWK系列鎳鉻或K合金壓力表，如LWK-06-W250B- 350可在-195°C至260°C的溫度范圍內(nèi)工作。

背襯材料和附件類型也是量規(guī)選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)。通常使用環(huán)氧粘合劑將聚酰亞胺或環(huán)氧樹(shù)脂載體粘合到測(cè)試材料上。然而，在一些應(yīng)用中，諸如高操作溫度或不利環(huán)境或測(cè)試條件的因素阻止粘合劑的固化或計(jì)量器的夾緊可能驅(qū)使工程師使用可焊接的量規(guī)。微量測(cè)量LWK-06-W250B-350是一種可焊接的量規(guī)，預(yù)先粘接到薄金屬載體上，并且已連接三根引線，可直接連接到儀表電纜?？梢酝ㄟ^(guò)點(diǎn)焊將壓力表粘合到清潔的金屬測(cè)試樣品上。

在為特定應(yīng)用選擇應(yīng)變片時(shí)，測(cè)量尺寸是另一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)。應(yīng)變計(jì)自然傾向于整合在測(cè)量?jī)x的整個(gè)長(zhǎng)度上施加的力。由于工程師經(jīng)常需要評(píng)估結(jié)構(gòu)中零部件所經(jīng)歷的峰值應(yīng)力，因此在峰值應(yīng)力集中在一個(gè)小區(qū)域的區(qū)域應(yīng)用過(guò)長(zhǎng)的應(yīng)變計(jì)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的不準(zhǔn)確。另一方面，非常小的傳感器可能不太穩(wěn)定并且具有較低的最大允許伸長(zhǎng)率。

定位和連接

CEA-06-125UN-350和LWK-06-W250B-350等應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)為對(duì)軸線作用力最敏感傳感網(wǎng)格。因此，當(dāng)傳感器連接到測(cè)試樣品時(shí)，傳感器的方向是關(guān)鍵的，并且應(yīng)該與待測(cè)量的力的方向?qū)R。如果方向未知，可以使用三向蓮座型儀表。

由于施加力下的電阻變化非常小，橋式測(cè)量電路通常使用精度很高電壓表，以確保準(zhǔn)確的讀數(shù)。圖2所示的簡(jiǎn)單電橋電路容易受到儀表引線電阻引起的誤差的影響。這些可以通過(guò)多種方式得到補(bǔ)償。當(dāng)?shù)谌鶎?dǎo)線直接連接到電壓表時(shí)，LWK系列測(cè)量?jī)x的三線連接可將此誤差減半，從而消除兩根信號(hào)線之一的影響。另一種方法是將應(yīng)變儀連接在橋的上臂和下臂中，具有相反的極性，以便感測(cè)相反方向的力。在這種布置中，兩組引線電阻都被取消，同時(shí)系統(tǒng)的靈敏度加倍，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的精度。

圖2：基本用于監(jiān)測(cè)應(yīng)變儀輸出的電橋電路。

用稱重傳感器設(shè)計(jì)

用于力測(cè)量的稱重傳感器是精確設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，包含多個(gè)應(yīng)變儀，配置為橋接，以確保準(zhǔn)確和可重復(fù)的測(cè)量。應(yīng)變計(jì)與精密設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)元件結(jié)合，該結(jié)構(gòu)元件可以由鋼，鋁或銅合金制成。精確的設(shè)計(jì)和加工可在整個(gè)規(guī)定范圍內(nèi)確?？蓽y(cè)量且可重復(fù)的偏轉(zhuǎn)，其大小與施加的負(fù)載成比例。稱重傳感器可設(shè)計(jì)用于測(cè)量彎曲，剪切，壓縮或扭轉(zhuǎn)力，并可提供各種工作范圍。

選擇稱重傳感器時(shí)，工程師應(yīng)注意指定的安全負(fù)載限制，并考慮操作負(fù)載范圍。如果施加過(guò)大的過(guò)載，則稱重傳感器可能會(huì)永久損壞并在隨后的使用中產(chǎn)生不可靠的結(jié)果。如果預(yù)期過(guò)載重量，則可能需要更高容量的稱重傳感器。同樣，如果預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)明顯的沖擊或動(dòng)態(tài)負(fù)載，則可能需要對(duì)稱重傳感器進(jìn)行降容。

還需要特別注意設(shè)計(jì)合適的安裝系統(tǒng)，同時(shí)牢記稱重傳感器是傳感器，因此不應(yīng)被視為堅(jiān)實(shí)的支持。應(yīng)注意避免橫向力，偏心負(fù)載或振動(dòng)等影響。如果系統(tǒng)中使用了多個(gè)稱重傳感器，可能需要特別小心以確保負(fù)載均勻分布，以避免各個(gè)稱重傳感器輸出之間出現(xiàn)不必要的差異。

測(cè)量系統(tǒng)，從噸負(fù)載

稱重傳感器可用于各種應(yīng)用。一個(gè)例子是安裝在諸如卡車之類的車輛上的散裝稱重系統(tǒng)。 PM OnBoard，與Micro-Measurements一樣，也是Vishay Precision Group的一個(gè)部門，生產(chǎn)一系列散裝稱重系統(tǒng)，包括安全導(dǎo)向系統(tǒng)和合法交易系統(tǒng)，允許按重量收取散裝物料。裝卸。用于重量為17至44噸的卡車的BulkWeigh 1300系統(tǒng)具有四個(gè)或更多個(gè)能夠監(jiān)控單個(gè)軸重的稱重傳感器，如圖3所示，可以為駕駛員提供過(guò)載或不平衡負(fù)載的駕駛室內(nèi)警告。/p>

圖3：在工業(yè)車輛散裝稱重系統(tǒng)中使用稱重傳感器。

在極端的另一端， Measurement Specialties FC22系列等微型稱重傳感器有四種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍，從0-10到0-100 lbf，并有兩個(gè)徑向安裝孔，間距為34 mm。這些稱重傳感器適用于機(jī)器人末端執(zhí)行器等設(shè)備，以幫助控制機(jī)器人在各種過(guò)程中施加的力或監(jiān)控任何拾取物體的重量。小型稱重傳感器（如FC22）也可用于醫(yī)療設(shè)備，如控制注射器輸液泵的線性力，以控制液體的劑量或輸送。

FC22系列稱重傳感器采用MEMS應(yīng)變計(jì)制造，可通過(guò)壓電效應(yīng)檢測(cè)應(yīng)變。 Measurement Specialties使用其專有的Microfused ?技術(shù)，通過(guò)與高溫玻璃熔合將應(yīng)變計(jì)粘合到不銹鋼基板上。這消除了對(duì)年齡敏感的有機(jī)環(huán)氧樹(shù)脂，并有助于最大限度地提高穩(wěn)定性并延長(zhǎng)使用壽命。該技術(shù)還有助于確保即使在低應(yīng)變下也具有高靈敏度，以及卓越的分辨率和高超范圍能力，而無(wú)需機(jī)械停止。 FC22的設(shè)計(jì)消除了與其他微型力傳感器相關(guān)的疲勞機(jī)制，例如使用壓力傳感器的傳感器。還內(nèi)置了熱補(bǔ)償，消除了零點(diǎn)和量程中與溫度相關(guān)的變化。

結(jié)論

應(yīng)變計(jì)和稱重傳感器各自利用導(dǎo)體電性能的變化或施加力時(shí)的半導(dǎo)體，以測(cè)量機(jī)械負(fù)載。所有這些都是必須精心設(shè)計(jì)的精密儀器，以確保滿意的性能。為了達(dá)到所需的精度，可靠性和使用壽命不僅對(duì)選擇最佳組件很重要，而且對(duì)于定位，定位和固定以及電氣連接也很重要。與往常一樣，更好的理解會(huì)帶來(lái)更好的結(jié)果。