荷重傳感器作為精準(zhǔn)測(cè)量力值的核心器件,廣泛應(yīng)用于電子衡器、工業(yè)自動(dòng)化、材料測(cè)試等領(lǐng)域。其本質(zhì)是通過(guò) “機(jī)械結(jié)構(gòu)受力形變→電學(xué)信號(hào)輸出” 的轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)對(duì)重量、拉力、壓力等力值的精準(zhǔn)計(jì)量。要理解其工作邏輯,需先掌握結(jié)構(gòu)組成與原理的對(duì)應(yīng)關(guān)系 —— 一張完整的荷重傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,實(shí)則是 “力的傳遞、形變感知、信號(hào)轉(zhuǎn)化” 三大系統(tǒng)的協(xié)同示意圖。本文將結(jié)合典型結(jié)構(gòu)原理圖,拆解各核心部件的功能與原理關(guān)聯(lián)。
力的傳遞與分散:當(dāng)外部力(如重量、拉力)作用于彈性體的受力端時(shí),彈性體通過(guò)自身結(jié)構(gòu)將力均勻傳遞到整個(gè)構(gòu)件,避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致永久形變;
可控形變輸出:彈性體采用高強(qiáng)度合金材料(如 40CrNiMoA、不銹鋼)制成,具備優(yōu)異的彈性恢復(fù)性 —— 受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生與力值成正比的微小彈性形變(通常為微米級(jí),肉眼不可見(jiàn)),力消失后完全恢復(fù)原狀,為后續(xù)應(yīng)變片感知提供穩(wěn)定的 “形變信號(hào)源”。
基底:絕緣薄膜(如聚酰亞胺),作用是固定敏感柵,同時(shí)隔離彈性體與敏感柵,避免短路;
敏感柵:金屬箔或金屬絲(如銅鎳合金、鎳鉻合金)制成的柵格狀結(jié)構(gòu),是電阻變化的核心 —— 當(dāng)彈性體形變時(shí),敏感柵隨彈性體一起拉伸或壓縮,其電阻值會(huì)隨幾何形狀變化而改變(遵循 “應(yīng)變效應(yīng)”:拉伸時(shí)電阻增大,壓縮時(shí)電阻減?。?;
引線:細(xì)小銅線,用于將敏感柵的電阻信號(hào)引出,接入后續(xù)的橋路電路。
溫度補(bǔ)償:通過(guò)串聯(lián) “溫度敏感電阻”(如鉑電阻),抵消溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)變片電阻漂移 —— 例如溫度升高時(shí),應(yīng)變片自身電阻會(huì)增大,補(bǔ)償電阻則會(huì)通過(guò)電路設(shè)計(jì)反向調(diào)節(jié),使橋路輸出信號(hào)不受溫度影響;
零點(diǎn)補(bǔ)償:在橋路中并聯(lián) “微調(diào)電阻”,用于修正無(wú)外力作用時(shí)橋路的 “零點(diǎn)漂移”(即理想狀態(tài)下無(wú)外力時(shí)輸出應(yīng)為 0,但實(shí)際因工藝偏差可能有微小輸出),通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)電阻使零點(diǎn)回歸標(biāo)準(zhǔn)值;
靈敏度補(bǔ)償:串聯(lián) “精密電阻”,修正不同傳感器之間的靈敏度差異,確保同一型號(hào)傳感器在相同力值下輸出一致的信號(hào)。
彈性體材質(zhì):原理圖中標(biāo)注的 “40CrNiMoA” 等合金材料,決定了傳感器的量程與穩(wěn)定性 —— 高強(qiáng)度材料可承受更大力值,低彈性滯后材料能減少測(cè)量誤差;
應(yīng)變片貼附位置:必須貼在彈性體的 “形變敏感區(qū)”(如細(xì)頸段、梁的上下表面),且需對(duì)稱(chēng)貼附,否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真;
橋路設(shè)計(jì):全橋電路(4 片應(yīng)變片)比半橋電路(2 片應(yīng)變片)靈敏度更高、抗干擾能力更強(qiáng),因此高精度傳感器的原理圖中均采用全橋設(shè)計(jì);
防護(hù)結(jié)構(gòu):部分原理圖中會(huì)標(biāo)注 “密封膠、防護(hù)外殼”,用于隔離粉塵、水汽,避免應(yīng)變片與補(bǔ)償元件受潮損壞,延長(zhǎng)傳感器壽命。
理解這些設(shè)計(jì)要點(diǎn),不僅能看懂結(jié)構(gòu)原理圖,更能根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的荷重傳感器 —— 例如潮濕環(huán)境需選擇帶密封防護(hù)的傳感器,高精度場(chǎng)景需選擇全橋設(shè)計(jì)的傳感器。
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