應變式傳感器在稱重分級系統中的應用

殷永杰 王裕彬 許崇洋 王帥

摘要：伴隨著科技的飛速發展，非物理量檢測與控制技術在航天、航空、交通、冶金、機械制造、石油化工、輕工業、科技檢測等領域的應用日益廣泛，并逐步走進人們的生活。傳感技術是實現監測與自動控制的重要手段。在測試儀中，作為儀器定位的一種方式，它的主要特點是能夠精確的傳遞和檢測一個物體的信息，并將信息轉化為另一種形態的信息。本文在闡述了電阻應變式傳感器的原理及其優缺點，以一種微型禽蛋分揀包裝機為例，簡要闡述應變式傳感器在分級稱重系統中的應用。2020年大學生創新創業訓練計劃項目“微型禽蛋分揀包裝機”（項目編號：S202010424077）;

關鍵字：電阻應變片;傳感器;應用

一、電阻應變式傳感器

（一）電阻應變式傳感器發展歷史和現狀

電阻應變式傳感器轉換元件為電阻應變計，其他組成部分有彈性敏感元件和補償電阻?？筛鶕y量的要求設計不同的結構組成。當傳感器收到外界的力時，由其彈性敏感元件首先產生形變，該形變會帶用電阻應變計進行相應的形變的同時變化電阻值，通過電阻值的變化，來測量外界力的大小?？捎糜跍y量多種力，位移等多種物理量。

SR-4型電阻應變計，SR是西蒙斯和魯奇教授名字首字母的組合，SR-4是兩人同時研制出來的，并獲得該專利，美國公司1940年開始該專利的生產。SR-4型電阻應變器無論是在理論方面還是對后續研發的物質基礎上都起到了很大的影響。電阻應變片是傳感器的重要組成部分，金屬箔式電阻應變計的出現是電阻應變片的一大里程碑，將熱固膠的粘貼性應用于電阻應變片上，對于應變片的創造工藝起到了極大地改善作用。在我國八十年代中期，引進美國和日本的金屬箔式應變片的制作工藝，極大提升了國產應變片的性能水平。近幾十年，由于國產產品的水平逐漸提高，有百分之八十的傳感器使用本土生產的應變片。

（二）電阻應變片稱重原理

電阻應變片的典型結構如圖所示。將一高電阻率的金屬絲繞成柵形，粘貼在絕緣基片上，并引出導線到電路中。

設該均勻的金屬絲長度為L，橫截面為S，電阻率為，則未受外力作用的情況下，它的電阻值為R，且

當該金屬絲受到力F作用時，由于金屬絲的長度L、截面積S以及電阻率都將隨著金屬絲的形變而發生變化，從而引起R的變化。由式（2.1）的全微分可以求得電阻值的變化為

可見，金屬絲的電阻值變化量與縱向應變量呈比例關系。式（2.5）中G稱為材料的壓力靈敏度系數或者應變計因子，其物理意義是材料發生單位應變時的電阻變化量。在設計稱重傳感器時，一般考慮使重量與縱向應變量呈常數關系?？蓪的表達式為解成兩部分，一部分是（1+v），它表示材料的幾何尺寸的變化;另一部分為λE，表示材料受力后電阻率變化，即材料壓力靈敏系數的兩個組成因素。對于金屬材料，λE的值很小，可以忽略，G的值一般在1.5-2之間，而對于半導體材料，λE占主導作用，G可高達100以上，但它受溫度的影響也隨之增大，因此電阻應變片設計時一般采用金屬材料，其壓力靈敏度系數選在1.7-3.6之間。

（三）電阻應變式傳感器的優缺點

（1）電阻應變式傳感器優點

① 測量精度高，靈敏度高，對于微小的形變都會發出信號

② 測量范圍廣，可用于測量多種物理變量

③ 使用壽命長

④ 結構簡單，體型較小

⑤ 使用環境要求不高，對于惡劣條件也可持續工作

⑥ 頻響特性好

（2）電阻應變式傳感器缺點

① 對于大應變有較大的非線性輸出信號

② 輸出信號較弱

缺點可以根據測量精度在一定范圍內采取補償措施，廣泛應用于自動測試和控制技術中。

二、電阻應變式傳感器在分級稱重系統中的應用

（一）相關應用產品及產品介紹

電阻式傳感器應用于分級稱重系統，可以達到將投入產品進行分揀分級的效果，例如微型禽蛋分揀包裝機中的應用。該機器對于節省生產禽蛋產品生產的勞動力有巨大意義，傳統的做法是從飼養家禽，到雞蛋的分選、分級、清洗、整理，都是手工完成，勞力和勞力投入非常大，而市場上蛋制品分類、分揀、裝運設備多為大批量、工業化的生產方式，這對于小型養殖戶來說，成本極高。型禽蛋產品分級、分揀和裝托一體機就完美的解決了這個問題，通過加裝稱重傳感器，對產品完成分揀分級，減少了成本。

（二）電阻式應變傳感器在產品中的應用

微型禽蛋分揀包裝機中，分類傳送裝置位于下蛋裝置下方，包括旋轉裝置、位于旋轉裝置上的單元格傳送帶和位于單元格傳送帶工作部分下方的支撐板，單元格傳送帶上設置單元格，單元格底端為開口結構;支撐板上開設多個供禽蛋通過的開口，開口靠近下蛋裝置端的支撐板上設置有壓力傳感器，開口上設置有可活動蓋板組件，壓力傳感器和可活動蓋板組件與控制單元相連接;

禽蛋通過出蛋裝置，依次進入下方單元格傳送帶上，在單元格傳送帶的傳送過程中，推動禽蛋在支承板上平移，當禽蛋經壓力傳感器后，根據預先設定的重力閾值來判斷禽蛋是否屬于此分級，若屬此分級，控制單元打開，禽蛋通過開口下落，降至緩沖傳送裝置，并傳送至裝盒機構，如果判定不屬于此分級，則禽蛋繼續平移，直至下一級，再重新判定，從而實現在傳送過程中直接對禽蛋進行稱重分級，簡化機構設計，提高生產效率。

三、結語

通過分析具體案例，可以看出加入應變式傳感器，以及簡單的結構組合，可實現禽蛋的傳輸、分級、分揀和包裝于一體，具有功能強大，功耗與能耗低等優點，解決投資成本高、人工分揀、包裝禽蛋費時費力的問題。由于電阻應變式傳感器應用廣泛，且對其特性的研究也是最多的，就目前的技術現狀而言，電阻應變式傳感器可以說是一項相對已經很成熟的技術，對其做應用研究也比較方便可靠。

參考文獻：

[1]傳感器與檢測技術[M]. 機械工業出版社 ， 胡向東， 2018

[2]傳感器工作原理及應用實例[M]. 人民郵電出版社 ， 黃繼昌等編著， 1998