探究金属管浮子流量计技术之间的区别

发布日期：2019-11-25 来源：作者：浏览次数：

【导读】：无论何种应用，工程师都经常考虑在其应用中分析力反馈的理想方法。他们必须考虑前期和运营成本，精度，外形尺寸，功率要求和其他因素。从广义上讲，力敏电阻（通常称为FSR）和金属管浮子流量计是两种最常用的方法。力敏电阻器可以进一步分为并联模式和直通模式类别。阅读本文以发现这些力测量方法之间的差异。......

大多数行业的工程师都需要精确的方法来评估压缩力，无论是在产品开发期间还是作为设备或产品中的嵌入式组件。

机器必须调节和测量它们施加到工业自动化中所接触的物体上的力。医疗设备和人机界面（HMI）也必须分析力，尽管其规模要小得多且更准确。

无论何种应用，工程师都经常考虑在其应用中分析力反馈的理想方法。他们必须考虑前期和运营成本，精度，外形尺寸，功率要求和其他因素。

从广义上讲，力敏电阻（通常称为FSR）和金属管浮子流量计是两种非常常用的方法。力敏电阻器可以进一步分为并联模式和直通模式类别。阅读本文以发现这些力测量方法之间的差异。

设计与运作

当连接到适当的电子设备时，金属管浮子流量计就是换能器，其返回的信号与施加给系统的机械力成比例。它们可以是气动的，液压的，或者非常常使用的应变计。

非常常用的应变计是由绝缘基材制成的流量计，并在其上安装了金属箔。当应变计固定到物体上时，随着物体变形，金属箔也变形，从而使电阻改变。

电阻变化是相对于应变的应变计的应变系数。应变计金属管浮子流量计通常使用双端或单端梁装置，并且使用一到四个应变计。横梁可以固定在一端，也可以装在自由端，也可以固定在两端，也可以装在中心。

在这两种设置中，加载都会使金属梁变形，并在粘结到梁表面的量规上产生轻微的应变。应变使应变计的电阻发生很小的变化，相关的电子设备通常将其转换为毫伏信号。

更大的负载会导致更大的应变，并导致结果信号成比例地上升。提供嵌入式力反馈的另一种方法是使用力敏感电阻器。力敏电阻器在直接施加力时会改变电阻，而应变计是平面电阻器，可根据表面变形来改变电阻。

力敏电阻的具体设计取决于其工作模式：直通模式或并联模式。并联模式力敏电阻器由两个厚膜聚合物层组成。

一层具有相互交叉的导电迹线，而另一层由力敏感材料组成。力敏感材料会在施加力时短路走线，使电阻随着施加的力变大而减小。

通模力敏电阻器也由两层组成，两层都是带有痕迹的薄膜聚合物。每个聚合物层均具有印刷在导体上的半导体压敏元件。

两层结合在一起。在空载的情况下，流量计的电阻极高（通常为MΩ）。当施加力时，流量计内的压敏元件彼此接触并弹性变形。

随着施加更大的力，流量计的电阻减小（通常为kΩ）。相反，随着施加力的增加，流量计的电导率变得更大。通过模式流量计的施加力和电导之间的关系是线性的。下一节将对此进行更详细的概述。

性能

对于从应用程序中寻求力反馈的工程师来说，其有效程度与其工作原理相似或更重要。因此，测量精度和准确度，线性度和动态范围至关重要。

金属管浮子流量计以其高精度而著称，这使它们成为测试和测量应用中的必备品。经过良好校准的金属管浮子流量计精确到其总量程的0.1％或更少。

力敏感电阻在相对测量中表现良好，例如在检测负载的渐进变化时，例如在人机和医疗界面应用中进行力反馈所需的那些变化。

它们的绝对测量精度不高，经过良好校准的并联模式力敏电阻的平均误差为绝对值的4％至6％，而通模力敏电阻的误差约为绝对值的5％至10％（根据校准质量）。

普通触摸流量计技术的力与电阻以及力与电导率

线性度是指测力流量计的输出与非常小负载和非常大负载或其他校准点之间绘制的直线的紧密程度。

具有低线性误差的流量计（通常以满刻度的百分比表示）更容易校准。工程师可以放心，因为校准点之间的读数是精确的，并且流量计的电导曲线的斜率在其指定的作用力范围内是一致的。

因此，有利的是，需要较少的中间校准点。力流量计的设计会影响其在不同负载下的线性度。例如，金属管浮子流量计在其载荷范围的下部提供非线性。这使它们更适合于较高的负载，但同时也减小了其有效范围。

使用金属管浮子流量计的工程师应确保限制了多余的称重能力，并且必须保护金属管浮子流量计免受部分过载的影响，并确保将负载保持在非常低校准点以上。直通模式电阻器从0 N到其范围的顶部呈线性，并在整个范围内提供±3％的非线性度。

即使在其指定的力范围内，分流模式力敏电阻器也容易偏离线性行为。与通过模式流量计相比，并联模式力敏电阻器的用户必须利用更多的校准点。可测量负载的范围是测力方法要考虑的另一个因素。

大多数工程师更关注动态范围，动态范围是流量计在应用过程中看到的非常大力值范围。金属管浮子流量计可用于多种动态范围，其下端确定的载荷为0.5 N或更小，而上端确定的载荷则达到数万牛顿。

相反，创建了力敏电阻器以精确分析较小的力。分流式力敏电阻器可产生0.2至20 N的力。可定制直通式力敏电阻器，以在0.002 Pa至69 MPa（10,000 psi）之间的各种动态范围内保持和评估线性度。

某些力流量计会随时间变化，即使负载恒定，流量计返回的电信号也会改变。环境影响（例如湿度或温度的差异）会使漂移更加明显。

例如，当温度差导致安装应变计的表面收缩或膨胀时，金属管浮子流量计可能会漂移，尤其是如果它们未放置在自校正惠斯通电桥结构中的情况下。

并联模式力敏电阻的标准漂移为每log（时间）5％。通过模式力敏感电阻器的额定值为每对数时间<5％。漂移速率可以根据分流和直模力敏电阻器中的材料界面而变化。

电子与维修

为应用选择正确的力测量流量计的一个因素是考虑该流量计随附的基础设施。每种类型的流量计都需要集成到测量电路中，以确保可以生成与施加的力成比例的模拟信号。

还需要考虑维护和电源的要求。信号和功率处理需求根据测力流量计的类型而变化。金属管浮子流量计需要经过调节的电源，以通过流量计提供期望的电压，通常为10 VDC或更低。

他们还需要专用的数字信号处理（DSP）设置，以实现高精度的力测量，但会增加设置的成本和复杂性，并使其集成到简化的应用程序中更具挑战性。直通模式和分流模式力敏感电阻器在电导（1 /电阻）和力之间具有基本关系。

这使得从流量计输出确定力的过程更加简单。由于它们更经常用于相对力的测量，因此无需为供电提供额外的准备。力敏电阻通常可以通过简单的运算放大器电路或分压器供电。

根据本申请，可以通过改变反馈电阻器的电阻和驱动电压来调节力敏电阻器的分辨率和力测量范围。任何使用金属管浮子流量计的人都知道保持校准至关重要。

由制造商以非常高的精度进行校准，金属管浮子流量计可能需要定期送出以进行重新校准，或者在发生诸如过热或冲击负载之类的不利事件时。力敏感电阻器是用户校准的，虽然方便，但可能还会引入用户错误的可能性。

设计注意事项

选择测力流量计的关键考虑因素是将其轻松地安装到现有设计或实验室设置中的可能性。外形尺寸和因素对于将流量计集成到产品中的简单程度至关重要。

维护和成本是集成决策中要考虑的另外两个因素。金属管浮子流量计通常具有固定的三维形状，并且往往较重。旨在将金属管浮子流量计集成到产品中的设计人员通常需要围绕流量计构建设计元素，这使得有效地迭代设计变得困难。

金属管浮子流量计的DSP要求，功率以及更高的价格，使得金属管浮子流量计很难集成到现代的流线型设计中。或者，并联模式和直通模式的力敏电阻器都是灵活而扁平的。

力敏电阻器更容易集成到机器人，机器和人机界面中，并且可以使用简单的电子设备为它们供电。力敏电阻器也更便宜并且需要更少的基础设施，因此设计人员可以更方便地发现如何将它们非常好地集成到设计中。

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