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探究金屬管浮子流量計技術之間的區別

發布日期：2019-11-25 來源：作者：瀏覽次數：

【導讀】：無論何種應用，工程師都經常考慮在其應用中分析力反饋的理想方法。他們必須考慮前期和運營成本，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是兩種最常用的方法。力敏電阻器可以進一步分為并聯模式和直通模式類別。閱讀本文以發現這些力測量方法之間的差異。......

大多數行業的工程師都需要精確的方法來評估壓縮力，無論是在產品開發期間還是作為設備或產品中的嵌入式組件。

機器必須調節和測量它們施加到工業自動化中所接觸的物體上的力。醫療設備和人機界面（HMI）也必須分析力，盡管其規模要小得多且更準確。

無論何種應用，工程師都經常考慮在其應用中分析力反饋的理想方法。他們必須考慮前期和運營成本，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是兩種非常常用的方法。力敏電阻器可以進一步分為并聯模式和直通模式類別。閱讀本文以發現這些力測量方法之間的差異。

設計與運作

當連接到適當的電子設備時，金屬管浮子流量計就是換能器，其返回的信號與施加給系統的機械力成比例。它們可以是氣動的，液壓的，或者非常常使用的應變計。

非常常用的應變計是由絕緣基材制成的流量計，并在其上安裝了金屬箔。當應變計固定到物體上時，隨著物體變形，金屬箔也變形，從而使電阻改變。

電阻變化是相對于應變的應變計的應變系數。應變計金屬管浮子流量計通常使用雙端或單端梁裝置，并且使用一到四個應變計。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。

在這兩種設置中，加載都會使金屬梁變形，并在粘結到梁表面的量規上產生輕微的應變。應變使應變計的電阻發生很小的變化，相關的電子設備通常將其轉換為毫伏信號。

更大的負載會導致更大的應變，并導致結果信號成比例地上升。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會改變電阻，而應變計是平面電阻器，可根據表面變形來改變電阻。

力敏電阻的具體設計取決于其工作模式：直通模式或并聯模式。并聯模式力敏電阻器由兩個厚膜聚合物層組成。

一層具有相互交叉的導電跡線，而另一層由力敏感材料組成。力敏感材料會在施加力時短路走線，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。每個聚合物層均具有印刷在導體上的半導體壓敏元件。

兩層結合在一起。在空載的情況下，流量計的電阻極高（通常為MΩ）。當施加力時，流量計內的壓敏元件彼此接觸并彈性變形。

隨著施加更大的力，流量計的電阻減小（通常為kΩ）。相反，隨著施加力的增加，流量計的電導率變得更大。通過模式流量計的施加力和電導之間的關系是線性的。下一節將對此進行更詳細的概述。

性能

對于從應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，測量精度和準確度，線性度和動態范圍至關重要。

金屬管浮子流量計以其高精度而著稱，這使它們成為測試和測量應用中的必備品。經過良好校準的金屬管浮子流量計精確到其總量程的0.1％或更少。

力敏感電阻在相對測量中表現良好，例如在檢測負載的漸進變化時，例如在人機和醫療界面應用中進行力反饋所需的那些變化。

它們的絕對測量精度不高，經過良好校準的并聯模式力敏電阻的平均誤差為絕對值的4％至6％，而通模力敏電阻的誤差約為絕對值的5％至10％（根據校準質量）。

普通觸摸流量計技術的力與電阻以及力與電導率

線性度是指測力流量計的輸出與非常小負載和非常大負載或其他校準點之間繪制的直線的緊密程度。

具有低線性誤差的流量計（通常以滿刻度的百分比表示）更容易校準。工程師可以放心，因為校準點之間的讀數是精確的，并且流量計的電導曲線的斜率在其指定的作用力范圍內是一致的。

因此，有利的是，需要較少的中間校準點。力流量計的設計會影響其在不同負載下的線性度。例如，金屬管浮子流量計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載，但同時也減小了其有效范圍。

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

即使在其指定的力范圍內，分流模式力敏電阻器也容易偏離線性行為。與通過模式流量計相比，并聯模式力敏電阻器的用戶必須利用更多的校準點。可測量負載的范圍是測力方法要考慮的另一個因素。

大多數工程師更關注動態范圍，動態范圍是流量計在應用過程中看到的非常大力值范圍。金屬管浮子流量計可用于多種動態范圍，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到數萬牛頓。

相反，創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生0.2至20 N的力。可定制直通式力敏電阻器，以在0.002 Pa至69 MPa（10,000 psi）之間的各種動態范圍內保持和評估線性度。

某些力流量計會隨時間變化，即使負載恒定，流量計返回的電信號也會改變。環境影響（例如濕度或溫度的差異）會使漂移更加明顯。

例如，當溫度差導致安裝應變計的表面收縮或膨脹時，金屬管浮子流量計可能會漂移，尤其是如果它們未放置在自校正惠斯通電橋結構中的情況下。

并聯模式力敏電阻的標準漂移為每log（時間）5％。通過模式力敏感電阻器的額定值為每對數時間<5％。漂移速率可以根據分流和直模力敏電阻器中的材料界面而變化。

電子與維修

為應用選擇正確的力測量流量計的一個因素是考慮該流量計隨附的基礎設施。每種類型的流量計都需要集成到測量電路中，以確保可以生成與施加的力成比例的模擬信號。

還需要考慮維護和電源的要求。信號和功率處理需求根據測力流量計的類型而變化。金屬管浮子流量計需要經過調節的電源，以通過流量計提供期望的電壓，通常為10 VDC或更低。

他們還需要專用的數字信號處理（DSP）設置，以實現高精度的力測量，但會增加設置的成本和復雜性，并使其集成到簡化的應用程序中更具挑戰性。直通模式和分流模式力敏感電阻器在電導（1 /電阻）和力之間具有基本關系。

這使得從流量計輸出確定力的過程更加簡單。由于它們更經常用于相對力的測量，因此無需為供電提供額外的準備。力敏電阻通常可以通過簡單的運算放大器電路或分壓器供電。

根據本申請，可以通過改變反饋電阻器的電阻和驅動電壓來調節力敏電阻器的分辨率和力測量范圍。任何使用金屬管浮子流量計的人都知道保持校準至關重要。

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

設計注意事項

選擇測力流量計的關鍵考慮因素是將其輕松地安裝到現有設計或實驗室設置中的可能性。外形尺寸和因素對于將流量計集成到產品中的簡單程度至關重要。

維護和成本是集成決策中要考慮的另外兩個因素。金屬管浮子流量計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集成到產品中的設計人員通常需要圍繞流量計構建設計元素，這使得有效地迭代設計變得困難。

金屬管浮子流量計的DSP要求，功率以及更高的價格，使得金屬管浮子流量計很難集成到現代的流線型設計中。或者，并聯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器人，機器和人機界面中，并且可以使用簡單的電子設備為它們供電。力敏電阻器也更便宜并且需要更少的基礎設施，因此設計人員可以更方便地發現如何將它們非常好地集成到設計中。

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