应变式传感器在称重分级系统中的应用

殷永杰 王裕彬 许崇洋 王帅

摘要：伴随着科技的飞速发展，非物理量检测与控制技术在航天、航空、交通、冶金、机械制造、石油化工、轻工业、科技检测等领域的应用日益广泛，并逐步走进人们的生活。传感技术是实现监测与自动控制的重要手段。在测试仪中，作为仪器定位的一种方式，它的主要特点是能够精确的传递和检测一个物体的信息，并将信息转化为另一种形态的信息。本文在阐述了电阻应变式传感器的原理及其优缺点，以一种微型禽蛋分拣包装机为例，简要阐述应变式传感器在分级称重系统中的应用。2020年大学生创新创业训练计划项目“微型禽蛋分拣包装机”（项目编号：S202010424077）;

关键字：电阻应变片;传感器;应用

一、电阻应变式传感器

（一）电阻应变式传感器发展历史和现状

电阻应变式传感器转换元件为电阻应变计，其他组成部分有弹性敏感元件和补偿电阻。可根据测量的要求设计不同的结构组成。当传感器收到外界的力时，由其弹性敏感元件首先产生形变，该形变会带用电阻应变计进行相应的形变的同时变化电阻值，通过电阻值的变化，来测量外界力的大小。可用于测量多种力，位移等多种物理量。

SR-4型电阻应变计，SR是西蒙斯和鲁奇教授名字首字母的组合，SR-4是两人同时研制出来的，并获得该专利，美国公司1940年开始该专利的生产。SR-4型电阻应变器无论是在理论方面还是对后续研发的物质基础上都起到了很大的影响。电阻应变片是传感器的重要组成部分，金属箔式电阻应变计的出现是电阻应变片的一大里程碑，将热固胶的粘贴性应用于电阻应变片上，对于应变片的创造工艺起到了极大地改善作用。在我国八十年代中期，引进美国和日本的金属箔式应变片的制作工艺，极大提升了国产应变片的性能水平。近几十年，由于国产产品的水平逐渐提高，有百分之八十的传感器使用本土生产的应变片。

（二）电阻应变片称重原理

电阻应变片的典型结构如图所示。将一高电阻率的金属丝绕成栅形，粘贴在绝缘基片上，并引出导线到电路中。

设该均匀的金属丝长度为L，横截面为S，电阻率为，则未受外力作用的情况下，它的电阻值为R，且

当该金属丝受到力F作用时，由于金属丝的长度L、截面积S以及电阻率都将随着金属丝的形变而发生变化，从而引起R的变化。由式（2.1）的全微分可以求得电阻值的变化为

可见，金属丝的电阻值变化量与纵向应变量呈比例关系。式（2.5）中G称为材料的压力灵敏度系数或者应变计因子，其物理意义是材料发生单位应变时的电阻变化量。在设计称重传感器时，一般考虑使重量与纵向应变量呈常数关系。可将G的表达式为解成两部分，一部分是（1+v），它表示材料的几何尺寸的变化;另一部分为λE，表示材料受力后电阻率变化，即材料压力灵敏系数的两个组成因素。对于金属材料，λE的值很小，可以忽略，G的值一般在1.5-2之间，而对于半导体材料，λE占主导作用，G可高达100以上，但它受温度的影响也随之增大，因此电阻应变片设计时一般采用金属材料，其压力灵敏度系数选在1.7-3.6之间。

（三）电阻应变式传感器的优缺点

（1）电阻应变式传感器优点

① 测量精度高，灵敏度高，对于微小的形变都会发出信号

② 测量范围广，可用于测量多种物理变量

③ 使用寿命长

④ 结构简单，体型较小

⑤ 使用环境要求不高，对于恶劣条件也可持续工作

⑥ 频响特性好

（2）电阻应变式传感器缺点

① 对于大应变有较大的非线性輸出信号

② 输出信号较弱

缺点可以根据测量精度在一定范围内采取补偿措施，广泛应用于自动测试和控制技术中。

二、电阻应变式传感器在分级称重系统中的应用

（一）相关应用产品及产品介绍

电阻式传感器应用于分级称重系统，可以达到将投入产品进行分拣分级的效果，例如微型禽蛋分拣包装机中的应用。该机器对于节省生产禽蛋产品生产的劳动力有巨大意义，传统的做法是从饲养家禽，到鸡蛋的分选、分级、清洗、整理，都是手工完成，劳力和劳力投入非常大，而市场上蛋制品分类、分拣、装运设备多为大批量、工业化的生产方式，这对于小型养殖户来说，成本极高。型禽蛋产品分级、分拣和装托一体机就完美的解决了这个问题，通过加装称重传感器，对产品完成分拣分级，减少了成本。

（二）电阻式应变传感器在产品中的应用

微型禽蛋分拣包装机中，分类传送装置位于下蛋装置下方，包括旋转装置、位于旋转装置上的单元格传送带和位于单元格传送带工作部分下方的支撑板，单元格传送带上设置单元格，单元格底端为开口结构;支撑板上开设多个供禽蛋通过的开口，开口靠近下蛋装置端的支撑板上设置有压力传感器，开口上设置有可活动盖板组件，压力传感器和可活动盖板组件与控制单元相连接;

禽蛋通过出蛋装置，依次进入下方单元格传送带上，在单元格传送带的传送过程中，推动禽蛋在支承板上平移，当禽蛋经压力传感器后，根据预先设定的重力阈值来判断禽蛋是否属于此分级，若属此分级，控制单元打开，禽蛋通过开口下落，降至缓冲传送装置，并传送至装盒机构，如果判定不属于此分级，则禽蛋继续平移，直至下一级，再重新判定，从而实现在传送过程中直接对禽蛋进行称重分级，简化机构设计，提高生产效率。

三、结语

通过分析具体案例，可以看出加入应变式传感器，以及简单的结构组合，可实现禽蛋的传输、分级、分拣和包装于一体，具有功能强大，功耗与能耗低等优点，解决投资成本高、人工分拣、包装禽蛋费时费力的问题。由于电阻应变式传感器应用广泛，且对其特性的研究也是最多的，就目前的技术现状而言，电阻应变式传感器可以说是一项相对已经很成熟的技术，对其做应用研究也比较方便可靠。

参考文献：

[1]传感器与检测技术[M]. 机械工业出版社 ， 胡向东， 2018

[2]传感器工作原理及应用实例[M]. 人民邮电出版社 ， 黄继昌等编著， 1998