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探究金屬管浮子流量計(jì)技術(shù)之間的區(qū)別

發(fā)布日期：2019-11-25 來源：作者：瀏覽次數(shù)：

【導(dǎo)讀】：無論何種應(yīng)用，工程師都經(jīng)�？紤]在其應(yīng)用中分析力反饋的理想方法。他們必須考慮前期和運(yùn)營(yíng)成本，精度，外形尺寸，功率要求和其他因素。從廣義上講，力敏電阻（通常稱為FSR）和金屬管浮子流量計(jì)是兩種最常用的方法。力敏電阻器可以進(jìn)一步分為并聯(lián)模式和直通模式類別。閱讀本文以發(fā)現(xiàn)這些力測(cè)量方法之間的差異。......

大多數(shù)行業(yè)的工程師都需要精確的方法來評(píng)估壓縮力，無論是在產(chǎn)品開發(fā)期間還是作為設(shè)備或產(chǎn)品中的嵌入式組件。

機(jī)器必須調(diào)節(jié)和測(cè)量它們施加到工業(yè)自動(dòng)化中所接觸的物體上的力。醫(yī)療設(shè)備和人機(jī)界面（HMI）也必須分析力，盡管其規(guī)模要小得多且更準(zhǔn)確。

無論何種應(yīng)用，工程師都經(jīng)常考慮在其應(yīng)用中分析力反饋的理想方法。他們必須考慮前期和運(yùn)營(yíng)成本，精度，外形尺寸，功率要求和其他因素。

從廣義上講，力敏電阻（通常稱為FSR）和金屬管浮子流量計(jì)是兩種非常常用的方法。力敏電阻器可以進(jìn)一步分為并聯(lián)模式和直通模式類別。閱讀本文以發(fā)現(xiàn)這些力測(cè)量方法之間的差異。

設(shè)計(jì)與運(yùn)作

當(dāng)連接到適當(dāng)?shù)碾娮釉O(shè)備時(shí)，金屬管浮子流量計(jì)就是換能器，其返回的信號(hào)與施加給系統(tǒng)的機(jī)械力成比例。它們可以是氣動(dòng)的，液壓的，或者非常常使用的應(yīng)變計(jì)。

非常常用的應(yīng)變計(jì)是由絕緣基材制成的流量計(jì)，并在其上安裝了金屬箔。當(dāng)應(yīng)變計(jì)固定到物體上時(shí)，隨著物體變形，金屬箔也變形，從而使電阻改變。

電阻變化是相對(duì)于應(yīng)變的應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變系數(shù)。應(yīng)變計(jì)金屬管浮子流量計(jì)通常使用雙端或單端梁裝置，并且使用一到四個(gè)應(yīng)變計(jì)。橫梁可以固定在一端，也可以裝在自由端，也可以固定在兩端，也可以裝在中心。

在這兩種設(shè)置中，加載都會(huì)使金屬梁變形，并在粘結(jié)到梁表面的量規(guī)上產(chǎn)生輕微的應(yīng)變。應(yīng)變使應(yīng)變計(jì)的電阻發(fā)生很小的變化，相關(guān)的電子設(shè)備通常將其轉(zhuǎn)換為毫伏信號(hào)。

更大的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致更大的應(yīng)變，并導(dǎo)致結(jié)果信號(hào)成比例地上升。提供嵌入式力反饋的另一種方法是使用力敏感電阻器。力敏電阻器在直接施加力時(shí)會(huì)改變電阻，而應(yīng)變計(jì)是平面電阻器，可根據(jù)表面變形來改變電阻。

力敏電阻的具體設(shè)計(jì)取決于其工作模式：直通模式或并聯(lián)模式。并聯(lián)模式力敏電阻器由兩個(gè)厚膜聚合物層組成。

一層具有相互交叉的導(dǎo)電跡線，而另一層由力敏感材料組成。力敏感材料會(huì)在施加力時(shí)短路走線，使電阻隨著施加的力變大而減小。

通模力敏電阻器也由兩層組成，兩層都是帶有痕跡的薄膜聚合物。每個(gè)聚合物層均具有印刷在導(dǎo)體上的半導(dǎo)體壓敏元件。

兩層結(jié)合在一起。在空載的情況下，流量計(jì)的電阻極高（通常為MΩ）。當(dāng)施加力時(shí)，流量計(jì)內(nèi)的壓敏元件彼此接觸并彈性變形。

隨著施加更大的力，流量計(jì)的電阻減�。ㄍǔ閗Ω）。相反，隨著施加力的增加，流量計(jì)的電導(dǎo)率變得更大。通過模式流量計(jì)的施加力和電導(dǎo)之間的關(guān)系是線性的。下一節(jié)將對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的概述。

性能

對(duì)于從應(yīng)用程序中尋求力反饋的工程師來說，其有效程度與其工作原理相似或更重要。因此，測(cè)量精度和準(zhǔn)確度，線性度和動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要。

金屬管浮子流量計(jì)以其高精度而著稱，這使它們成為測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中的必備品。經(jīng)過良好校準(zhǔn)的金屬管浮子流量計(jì)精確到其總量程的0.1％或更少。

力敏感電阻在相對(duì)測(cè)量中表現(xiàn)良好，例如在檢測(cè)負(fù)載的漸進(jìn)變化時(shí)，例如在人機(jī)和醫(yī)療界面應(yīng)用中進(jìn)行力反饋所需的那些變化。

它們的絕對(duì)測(cè)量精度不高，經(jīng)過良好校準(zhǔn)的并聯(lián)模式力敏電阻的平均誤差為絕對(duì)值的4％至6％，而通模力敏電阻的誤差約為絕對(duì)值的5％至10％（根據(jù)校準(zhǔn)質(zhì)量）。

普通觸摸流量計(jì)技術(shù)的力與電阻以及力與電導(dǎo)率

線性度是指測(cè)力流量計(jì)的輸出與非常小負(fù)載和非常大負(fù)載或其他校準(zhǔn)點(diǎn)之間繪制的直線的緊密程度。

具有低線性誤差的流量計(jì)（通常以滿刻度的百分比表示）更容易校準(zhǔn)。工程師可以放心，因?yàn)樾?zhǔn)點(diǎn)之間的讀數(shù)是精確的，并且流量計(jì)的電導(dǎo)曲線的斜率在其指定的作用力范圍內(nèi)是一致的。

因此，有利的是，需要較少的中間校準(zhǔn)點(diǎn)。力流量計(jì)的設(shè)計(jì)會(huì)影響其在不同負(fù)載下的線性度。例如，金屬管浮子流量計(jì)在其載荷范圍的下部提供非線性。這使它們更適合于較高的負(fù)載，但同時(shí)也減小了其有效范圍。

使用金屬管浮子流量計(jì)的工程師應(yīng)確保限制了多余的稱重能力，并且必須保護(hù)金屬管浮子流量計(jì)免受部分過載的影響，并確保將負(fù)載保持在非常低校準(zhǔn)點(diǎn)以上。直通模式電阻器從0 N到其范圍的頂部呈線性，并在整個(gè)范圍內(nèi)提供±3％的非線性度。

即使在其指定的力范圍內(nèi)，分流模式力敏電阻器也容易偏離線性行為。與通過模式流量計(jì)相比，并聯(lián)模式力敏電阻器的用戶必須利用更多的校準(zhǔn)點(diǎn)�？蓽y(cè)量負(fù)載的范圍是測(cè)力方法要考慮的另一個(gè)因素。

大多數(shù)工程師更關(guān)注動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍是流量計(jì)在應(yīng)用過程中看到的非常大力值范圍。金屬管浮子流量計(jì)可用于多種動(dòng)態(tài)范圍，其下端確定的載荷為0.5 N或更小，而上端確定的載荷則達(dá)到數(shù)萬牛頓。

相反，創(chuàng)建了力敏電阻器以精確分析較小的力。分流式力敏電阻器可產(chǎn)生0.2至20 N的力�？啥ㄖ浦蓖ㄊ搅γ綦娮杵鳎栽�0.002 Pa至69 MPa（10,000 psi）之間的各種動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持和評(píng)估線性度。

某些力流量計(jì)會(huì)隨時(shí)間變化，即使負(fù)載恒定，流量計(jì)返回的電信號(hào)也會(huì)改變。環(huán)境影響（例如濕度或溫度的差異）會(huì)使漂移更加明顯。

例如，當(dāng)溫度差導(dǎo)致安裝應(yīng)變計(jì)的表面收縮或膨脹時(shí)，金屬管浮子流量計(jì)可能會(huì)漂移，尤其是如果它們未放置在自校正惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中的情況下。

并聯(lián)模式力敏電阻的標(biāo)準(zhǔn)漂移為每log（時(shí)間）5％。通過模式力敏感電阻器的額定值為每對(duì)數(shù)時(shí)間<5％。漂移速率可以根據(jù)分流和直模力敏電阻器中的材料界面而變化。

電子與維修

為應(yīng)用選擇正確的力測(cè)量流量計(jì)的一個(gè)因素是考慮該流量計(jì)隨附的基礎(chǔ)設(shè)施。每種類型的流量計(jì)都需要集成到測(cè)量電路中，以確�？梢陨膳c施加的力成比例的模擬信號(hào)。

還需要考慮維護(hù)和電源的要求。信號(hào)和功率處理需求根據(jù)測(cè)力流量計(jì)的類型而變化。金屬管浮子流量計(jì)需要經(jīng)過調(diào)節(jié)的電源，以通過流量計(jì)提供期望的電壓，通常為10 VDC或更低。

他們還需要專用的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)高精度的力測(cè)量，但會(huì)增加設(shè)置的成本和復(fù)雜性，并使其集成到簡(jiǎn)化的應(yīng)用程序中更具挑戰(zhàn)性。直通模式和分流模式力敏感電阻器在電導(dǎo)（1 /電阻）和力之間具有基本關(guān)系。

這使得從流量計(jì)輸出確定力的過程更加簡(jiǎn)單。由于它們更經(jīng)常用于相對(duì)力的測(cè)量，因此無需為供電提供額外的準(zhǔn)備。力敏電阻通常可以通過簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器電路或分壓器供電。

根據(jù)本申請(qǐng)，可以通過改變反饋電阻器的電阻和驅(qū)動(dòng)電壓來調(diào)節(jié)力敏電阻器的分辨率和力測(cè)量范圍。任何使用金屬管浮子流量計(jì)的人都知道保持校準(zhǔn)至關(guān)重要。

由制造商以非常高的精度進(jìn)行校準(zhǔn)，金屬管浮子流量計(jì)可能需要定期送出以進(jìn)行重新校準(zhǔn)，或者在發(fā)生諸如過熱或沖擊負(fù)載之類的不利事件時(shí)。力敏感電阻器是用戶校準(zhǔn)的，雖然方便，但可能還會(huì)引入用戶錯(cuò)誤的可能性。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

選擇測(cè)力流量計(jì)的關(guān)鍵考慮因素是將其輕松地安裝到現(xiàn)有設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)室設(shè)置中的可能性。外形尺寸和因素對(duì)于將流量計(jì)集成到產(chǎn)品中的簡(jiǎn)單程度至關(guān)重要。

維護(hù)和成本是集成決策中要考慮的另外兩個(gè)因素。金屬管浮子流量計(jì)通常具有固定的三維形狀，并且往往較重。旨在將金屬管浮子流量計(jì)集成到產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)人員通常需要圍繞流量計(jì)構(gòu)建設(shè)計(jì)元素，這使得有效地迭代設(shè)計(jì)變得困難。

金屬管浮子流量計(jì)的DSP要求，功率以及更高的價(jià)格，使得金屬管浮子流量計(jì)很難集成到現(xiàn)代的流線型設(shè)計(jì)中�；蛘�，并聯(lián)模式和直通模式的力敏電阻器都是靈活而扁平的。

力敏電阻器更容易集成到機(jī)器人，機(jī)器和人機(jī)界面中，并且可以使用簡(jiǎn)單的電子設(shè)備為它們供電。力敏電阻器也更便宜并且需要更少的基礎(chǔ)設(shè)施，因此設(shè)計(jì)人員可以更方便地發(fā)現(xiàn)如何將它們非常好地集成到設(shè)計(jì)中。

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