應(yīng)變式傳感器在稱重分級系統(tǒng)中的應(yīng)用

殷永杰 王裕彬 許崇洋 王帥

摘要：伴隨著科技的飛速發(fā)展，非物理量檢測與控制技術(shù)在航天、航空、交通、冶金、機(jī)械制造、石油化工、輕工業(yè)、科技檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并逐步走進(jìn)人們的生活。傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)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(diǎn)是能夠精確的傳遞和檢測一個(gè)物體的信息，并將信息轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)的信息。本文在闡述了電阻應(yīng)變式傳感器的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，以一種微型禽蛋分揀包裝機(jī)為例，簡要闡述應(yīng)變式傳感器在分級稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用。2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“微型禽蛋分揀包裝機(jī)”（項(xiàng)目編號：S202010424077）;

關(guān)鍵字：電阻應(yīng)變片;傳感器;應(yīng)用

一、電阻應(yīng)變式傳感器

（一）電阻應(yīng)變式傳感器發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

電阻應(yīng)變式傳感器轉(zhuǎn)換元件為電阻應(yīng)變計(jì)，其他組成部分有彈性敏感元件和補(bǔ)償電阻。可根據(jù)測量的要求設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)傳感器收到外界的力時(shí)，由其彈性敏感元件首先產(chǎn)生形變，該形變會帶用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的形變的同時(shí)變化電阻值，通過電阻值的變化，來測量外界力的大小。可用于測量多種力，位移等多種物理量。

SR-4型電阻應(yīng)變計(jì)，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(shí)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(chǎn)。SR-4型電阻應(yīng)變器無論是在理論方面還是對后續(xù)研發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)上都起到了很大的影響。電阻應(yīng)變片是傳感器的重要組成部分，金屬箔式電阻應(yīng)變計(jì)的出現(xiàn)是電阻應(yīng)變片的一大里程碑，將熱固膠的粘貼性應(yīng)用于電阻應(yīng)變片上，對于應(yīng)變片的創(chuàng)造工藝起到了極大地改善作用。在我國八十年代中期，引進(jìn)美國和日本的金屬箔式應(yīng)變片的制作工藝，極大提升了國產(chǎn)應(yīng)變片的性能水平。近幾十年，由于國產(chǎn)產(chǎn)品的水平逐漸提高，有百分之八十的傳感器使用本土生產(chǎn)的應(yīng)變片。

（二）電阻應(yīng)變片稱重原理

電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)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(dǎo)線到電路中。

設(shè)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(dāng)該金屬絲受到力F作用時(shí)，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(fā)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(yīng)變量呈比例關(guān)系。式（2.5）中G稱為材料的壓力靈敏度系數(shù)或者應(yīng)變計(jì)因子，其物理意義是材料發(fā)生單位應(yīng)變時(shí)的電阻變化量。在設(shè)計(jì)稱重傳感器時(shí)，一般考慮使重量與縱向應(yīng)變量呈常數(shù)關(guān)系。可將G的表達(dá)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(shù)的兩個(gè)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(dǎo)體材料，λE占主導(dǎo)作用，G可高達(dá)100以上，但它受溫度的影響也隨之增大，因此電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)時(shí)一般采用金屬材料，其壓力靈敏度系數(shù)選在1.7-3.6之間。

（三）電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）電阻應(yīng)變式傳感器優(yōu)點(diǎn)

① 測量精度高，靈敏度高，對于微小的形變都會發(fā)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(jié)構(gòu)簡單，體型較小

⑤ 使用環(huán)境要求不高，對于惡劣條件也可持續(xù)工作

⑥ 頻響特性好

（2）電阻應(yīng)變式傳感器缺點(diǎn)

① 對于大應(yīng)變有較大的非線性輸出信號

② 輸出信號較弱

缺點(diǎn)可以根據(jù)測量精度在一定范圍內(nèi)采取補(bǔ)償措施，廣泛應(yīng)用于自動測試和控制技術(shù)中。

二、電阻應(yīng)變式傳感器在分級稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品及產(chǎn)品介紹

電阻式傳感器應(yīng)用于分級稱重系統(tǒng)，可以達(dá)到將投入產(chǎn)品進(jìn)行分揀分級的效果，例如微型禽蛋分揀包裝機(jī)中的應(yīng)用。該機(jī)器對于節(jié)省生產(chǎn)禽蛋產(chǎn)品生產(chǎn)的勞動力有巨大意義，傳統(tǒng)的做法是從飼養(yǎng)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(yùn)設(shè)備多為大批量、工業(yè)化的生產(chǎn)方式，這對于小型養(yǎng)殖戶來說，成本極高。型禽蛋產(chǎn)品分級、分揀和裝托一體機(jī)就完美的解決了這個(gè)問題，通過加裝稱重傳感器，對產(chǎn)品完成分揀分級，減少了成本。

（二）電阻式應(yīng)變傳感器在產(chǎn)品中的應(yīng)用

微型禽蛋分揀包裝機(jī)中，分類傳送裝置位于下蛋裝置下方，包括旋轉(zhuǎn)裝置、位于旋轉(zhuǎn)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(shè)置單元格，單元格底端為開口結(jié)構(gòu);支撐板上開設(shè)多個(gè)供禽蛋通過的開口，開口靠近下蛋裝置端的支撐板上設(shè)置有壓力傳感器，開口上設(shè)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(jìn)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(dāng)禽蛋經(jīng)壓力傳感器后，根據(jù)預(yù)先設(shè)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(jī)構(gòu)，如果判定不屬于此分級，則禽蛋繼續(xù)平移，直至下一級，再重新判定，從而實(shí)現(xiàn)在傳送過程中直接對禽蛋進(jìn)行稱重分級，簡化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)效率。

三、結(jié)語

通過分析具體案例，可以看出加入應(yīng)變式傳感器，以及簡單的結(jié)構(gòu)組合，可實(shí)現(xiàn)禽蛋的傳輸、分級、分揀和包裝于一體，具有功能強(qiáng)大，功耗與能耗低等優(yōu)點(diǎn)，解決投資成本高、人工分揀、包裝禽蛋費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題。由于電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用廣泛，且對其特性的研究也是最多的，就目前的技術(shù)現(xiàn)狀而言，電阻應(yīng)變式傳感器可以說是一項(xiàng)相對已經(jīng)很成熟的技術(shù)，對其做應(yīng)用研究也比較方便可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]傳感器與檢測技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 胡向東， 2018

[2]傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M]. 人民郵電出版社 ， 黃繼昌等編著， 1998