工业和医疗行业的负荷和应变测量

　　电子力传感器有各种不同的格式和大小，从小型的单个应变计到精密工程的测压元件。了解操作原理和可能的误差来源可以帮助选择和安装，以确保准确的测量和长期可靠的应用，从实验室试验和结构监测到批量称重，车辆安全，机器人和医疗设备。

　　应变计:力测量的基本构件

　　应变片可以是导线或蚀刻的金属导体，在受到拉伸或压缩时，它会显示出可测量的电阻变化。当压力表牢固地附着在材料或结构上时，任何机械力的大小都可以通过监测其电气响应来感知。

　　应变仪可作为分立元件，可用于各种类型，如实验室使用、设计机械部件、或用于性能或安全的监测结构。当对样品进行监测时，量规的特点及其定位对测量精度有重要影响。

　　通用蚀刻金属箔应变片的图像

　　图1:通用蚀刻金属箔应变片。

　　一种现成的离散应变片可能包括金属箔，它被光蚀刻成一个合适的方向应变敏感的图案，并安装在聚酰亚胺或增强的环氧载体上，如图1所示。金属合金的类型对量规的性能有重要影响。康斯坦坦，有时被称为a -合金，提供高应变灵敏度的特性，以及高电阻率，允许小的传感器尺寸。在广泛的应变级别和温度范围内，也表现出相对较低的电阻和稳定的机械性能，康斯坦坦通常是通用仪表中使用的首选合金。康斯坦坦的另一个重要优点是合金可以被加工以达到一种特定的自我温度补偿(S-T-C)值，以匹配各种测试材料的热膨胀系数。

　　东航系列康铜通用由微观应变仪(精度威世集团的一个部门)包括各种型号如联合国CEA - 06 - 125 - 350,有S-T-C 06年和350Ω的标称电阻。CEA系列压力表的正常静态工作温度范围是-75 C到175 C，而对于需要更宽的温度范围的应用，LWK系列镍铬，或k合金，如LWK-06- w250b -350，可以从-195 C到260 C。

　　衬垫材料和附件的类型也是计量选择的重要标准。聚酰亚胺或环氧树脂载体通常使用环氧胶粘剂粘在测试材料上。然而，在某些应用中，诸如高操作温度或不利的环境或测试条件等因素可能会促使工程师使用可焊接的压力表。微测量LWK-06-W250B-350是一种可焊的量规，它被预先绑定到一个薄的金属载体上，并且已经附加了三根导线，允许直接连接到仪表电缆。该压力表可通过点焊连接到清洁的金属试样。

　　在为给定的应用程序选择应变计时，测量尺寸是一个更重要的参数。应变计自然倾向于将施加在整个压力表上的力进行整合。由于工程师经常需要评估一个构件在结构中所经历的峰值应力，在应力峰值集中在一个小区域的区域施加一个过长的应变计会导致严重的不准确。另一方面，非常小的传感器可以不那么稳定，并具有较低的最大允许延伸率。

　　定位和连接

　　像CEA-06-125UN-350和LWK-06-W250B-350这样的应变仪对与传感网轴线作用的力最敏感。因此，传感器的定位，当连接到测试样本时，是至关重要的，并且应该与被测力的方向一致。如果方向不知道，可以使用一个三方向的rosette式仪表。

　　由于在施加作用力下的电阻变化很小，所以通常用一个桥式测量电路来测量精确的电压表，以确保准确的读数。图2所示的简单电桥电路易受测线导线电阻的影响。这些可以通过多种方式得到补偿。LWK系列压力表的三线连接可以将这一错误减半，当第三根导线直接连接到电压表时，就抵消了其中一根信号线的作用。另一种方法是在桥的上下两臂上连接应变计，以对抗极性，以使力向相反方向的方向运动。在这种安排中，两组铅的电阻都被取消了，而系统的灵敏度增加了一倍，从而使得更精确。

　　用于监测应变片输出的基本电桥电路图像。

　　图2:监测应变片输出的基本电桥电路。

　　设计负载细胞

　　用于力测量的负载单元是精确的工程系统，它包含了被配置为桥梁的多个应变片，以保证测量的准确和可重复。应变计与精密工程结构元件结合，可由钢、铝或铜合金制成。精密的设计和加工确保了可测量的和可重复的偏转，大小与施加的载荷成正比，在规定的范围内。负荷单元可用于测量弯曲、剪切、压缩或扭转力，并可用于各种不同的操作范围。

　　在选择负荷单元时，工程师应注意指定的安全负荷极限，并考虑工作负荷范围。如果施加过多的过载，则在随后的使用中，加载单元会被永久损坏并产生不可靠的结果。如果预期负荷过重，则可能需要一个高容量的负荷单元。类似地，如果预期有可观的冲击或动态负载，则可能需要降低加载单元。

　　设计一个合适的安装系统也需要仔细的注意，考虑到装载单元是传感器，因此不应该被认为是可靠的支持。应注意避免诸如侧向力、偏心负荷或振动等影响。如果系统中使用了多个负载单元，则可能需要特别注意，以确保负载均衡分布，以避免来自单个装载单元的输出之间不需要的差异。

　　测量系统，从吨到磅

　　加载单元可以用于各种各样的应用程序。其中一个例子是装在卡车等车辆上的散装称重系统。在飞机上，像微测量一样，它也是Vishay精密集团的一个部门，它生产一系列的大体积称重系统，包括安全导向的系统和允许在装卸过程中按重量对散装材料收费的法律换贸易系统。重量在17到44吨的卡车的重量1300系统有4个或更多的装载单元，可以监测单个的轴重量，如图3所示，它可以为司机提供超载或不平衡负荷的车内警告。

　　工业车辆体积称重系统中负载单元的图像。

　　图3:在工业车辆体积称重系统中使用负荷单元。

　　在极端的另一端，诸如测量特性FC22系列的微型加载单元，有四个标准测量范围，从0-10到0-100 lbf，并且有两个径向安装孔，间距为34毫米。这些加载单元适用于机器人末端效应器等设备，以帮助控制机器人在各种过程中施加的力，或监控任何被选中物体的重量。像FC22这样的小负荷细胞也可用于医疗设备，如控制注射泵的线性力，以控制液体的剂量或转移。

　　FC22系列加载单元是用MEMS应变仪构建的，通过压电效应来感知应变。测量专业使用其专利的微融合技术将应变计与高温玻璃熔合在一起。这就消除了可能是年龄敏感的有机环氧树脂，并有助于最大限度的稳定性和延长使用寿命。这一技术还有助于确保高灵敏度，即使在低应变，以及高分辨率和高过程能力，不需要机械停止。FC22的设计消除了与其他微型力传感器相关的疲劳机制，例如使用压力胶囊的传感器。还内置了热补偿，消除了零和跨度的温度相关变化。

　　结论

　　应变仪和负荷单元都利用导体或半导体在施加压力时的电特性变化来测量机械载荷。所有这些都是精密仪器，必须精心设计，以确保令人满意的性能。为了达到预期的精度，可靠性和寿命是重要的，不仅要选择最优的组件，还要注意定位、定位和定位以及电气连接。和往常一样，更好的理解会带来更好的结果。