2. 称重传感器与应变计工作原理

称重传感器的核心任务，是把作用在弹性体上的力转换为可测量的电信号。这个转换链条可以概括为：载荷 → 弹性体应变 → 应变计电阻变化 → 惠斯通电桥差分电压 → 仪表可读信号。理解这条链条中每一环的物理机制，是后续低噪声采集与计量设计的基础。

金属箔应变计与半导体应变计

应变计是粘贴在弹性体表面的敏感元件，其电阻随表面应变而变化。金属箔应变计由极薄的金属箔栅（常用康铜、卡玛合金）夹在聚酰亚胺基底中制成，灵敏栅呈往复折线形，以在有限长度内获得足够长的电阻丝。其电阻变化遵循：

ΔR / R = K · ε

K：应变灵敏系数（金属箔约 2.0～2.2）
ε：应变（με，微应变，1με = 1×10⁻⁶）
R：标称电阻（常见 350Ω、1000Ω）

金属箔应变计的优点是线性好、温度稳定性高、蠕变可控，缺点是灵敏度低。半导体应变计利用硅或锗的压阻效应，灵敏系数可达 100～150，输出信号大，但非线性明显、温度系数大，需要复杂的温度补偿，多用于小量程或特殊场合。工业称重传感器绝大多数采用金属箔应变计。

应变计的粘贴质量直接决定传感器性能。胶层过厚会引入蠕变和迟滞，粘贴偏心会产生附加弯矩，固化不充分则导致零点漂移。因此应变计的安装需要在洁净环境中完成，胶层厚度通常控制在 5～20μm，固化温度与时间严格按胶粘剂工艺执行。

惠斯通电桥与桥路输出

单个应变计的电阻变化很小，且易受温度影响。将四个应变计接入惠斯通电桥，可以同时解决灵敏度放大和温度补偿两个问题。典型称重传感器电桥结构为：

• R1、R3 为受拉应变计，R2、R4 为受压应变计，交替布置在弹性体拉/压区；
• 激励端施加桥压 Vex（常见 5V、10V）；
• 信号端输出差分电压 Vout。

当弹性体受载时，R1、R3 增大，R2、R4 减小，电桥失去平衡，输出：

Vout = Vex · (ΔR / R) = Vex · K · ε

示例：Vex = 10V，K = 2.0，ε = 1000με
Vout = 10 × 2.0 × 1000×10⁻⁶ = 20mV

这就是称重传感器在额定载荷下常见的满量程输出（约 2mV/V）。若桥压为 5V，则满量程输出约 10mV。桥路输出的差分特性使共模温度漂移、激励波动等被大幅抑制，这是电桥结构在计量领域长期占据主导地位的原因。

灵敏度与桥路输出

灵敏度是称重传感器最重要的指标之一，定义为满量程输出与桥压之比，单位 mV/V。例如一只 2mV/V 的传感器，在 10V 桥压下满量程输出为 20mV。灵敏度由应变计灵敏系数 K、弹性体应变水平 ε 和电桥结构共同决定。提高灵敏度可以通过增大桥压或提高弹性体应变实现，但桥压过高会引起应变计自热漂移，应变过大则进入非线性区，因此需要在灵敏度、功耗和线性度之间折中。

实际选型时，还需关注灵敏度公差（通常 ±10% 或 ±5%）、零点输出（±1%FS 以内）和输入/输出阻抗（350Ω 或 1000Ω）。这些参数直接影响后续放大器的增益设计和噪声预算。

蠕变与迟滞的物理来源

蠕变是指载荷恒定时输出随时间缓慢变化的现象，迟滞是指加载与卸载曲线不重合的现象。两者都源于弹性体与应变计系统的非理想特性：

• 胶层粘弹性：胶粘剂在持续应力下发生缓慢流动，导致应变传递效率随时间变化，是蠕变的主要来源；
• 弹性体材料内耗：金属晶界滑移和位错运动在加载/卸载路径上产生能量耗散，形成迟滞；
• 应变计栅丝与基底蠕变：箔材和聚酰亚胺基底在应力下的微塑性变形；
• 温度耦合：温度变化改变胶层模量和弹性体弹性模量，加剧蠕变和迟滞。

工程上通过选择低蠕变胶粘剂、优化固化工艺、对弹性体进行时效处理、采用自补偿应变计布局来抑制这些效应。对于高精度计量场合，还需在软件中引入蠕变补偿和迟滞修正模型。