稱重傳感器原理

稱重傳感器原理

在稱重傳感器主要技術指標的基本概念和評價方法上，新舊國標有質(zhì)的差異。

傳統(tǒng)概念上，負荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統(tǒng)稱，用單項參數(shù)評價它的計量特性。舊國標將應用對象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測力”兩種傳感器合二為一來考慮，對試驗和評價方法未給予區(qū)分。舊國標共有21項指標，均在常溫下進行試驗；并用非線性、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差6項指標中的最大誤差，來確定稱重傳感器準確度等級，分別用0.02、0.03、0.05......1.0表示。

衡器上使用的一種力傳感器。它能將作用在被測物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計量的輸出信號。考慮到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉(zhuǎn)換的影響，稱重傳感器的性能指標主要有線性誤差、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器準確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶(圖1)聯(lián)系起來，以便選用對應于某一準確度衡器的稱重傳感器。國際法制計量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70％，稱重傳感器的線性誤差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內(nèi)由于溫度對靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶δ。這就允許制造廠對構(gòu)成計量總誤差的各個分量進行調(diào)整，從而獲得期望的準確度。

       稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電陰應變式等8類，以電阻應變式使用最廣。
　　光電式傳感器 　包括光柵式和碼盤式兩種。
　　光柵式傳感器利用光柵形成的莫爾條紋把角位移轉(zhuǎn)換成光電信號（圖2）。光柵有兩塊，一為固定光柵，另一為裝在表盤軸上的移動光柵。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿系統(tǒng)使表盤軸旋轉(zhuǎn)，帶動移動光柵轉(zhuǎn)動，使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計算出移過的莫爾條紋數(shù)量，測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小，從而確定和讀出被測物質(zhì)量。



　　碼盤式傳感器（圖3）的碼盤（符號板）是一塊裝在表盤軸上的透明玻璃，上面帶有按一定編碼方法編定的黑白相間的代碼。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時，碼盤也隨之轉(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后由電路進行數(shù)字處理，最后在顯示器上顯示出代表被測質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機電結(jié)合秤上。



　　液壓式傳感器 　如圖4所示，在受被測物重力P作用時，液壓油的壓力增大，增大的程度與P成正比。測出壓力的增大值，即可確定被測物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡單而牢固，測量范圍大，但準確度一般不超過1/100。



　　電磁力式傳感器　它利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡的原理工作（圖5）。當承重臺上放有被測物時，杠桿的一端向上傾斜；光電件檢測出傾斜度信號，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測物質(zhì)量。電磁力式傳感器準確度高，可達 1/2000～1/60000，但稱量范圍僅在幾十毫克至10千克之間。



　　電容式傳感器 　它利用電容器振蕩電路的振蕩頻率f與極板間距d 的正比例關系工作(圖6 )。極板有兩塊，一塊固定不動，另一塊可移動。在承重臺加載被測物時，板簧撓曲，兩極板之間的距離發(fā)生變化，電路的振蕩頻率也隨之變化。測出頻率的變化即可求出承重臺上被測物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少，造價低，準確度為1/200～1/500。



　　磁極變形式傳感器　如圖7所示，鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機械變形時，內(nèi)部產(chǎn)生應力并引起導磁率變化，使繞在鐵磁元件（磁極）兩側(cè)的次級線圈的感應電壓也隨之變化。測量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力，進而確定被測物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準確度不高，一般為1/100，適用于大噸位稱量工作，稱量范圍為幾十至幾萬千克。



　　振動式傳感器 彈性元件受力后，其固有振動頻率與作用力的平方根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出被測物作用在彈性元件上的力，進而求出其質(zhì)量。振動式傳感器有振弦式和音叉式兩種。
　　振弦式傳感器（圖8 ）的彈性元件是弦絲。當承重臺上加有被測物時，V形弦絲的交點被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力減小。兩根弦的固有頻率發(fā)生不同的變化。求出兩根弦的頻率之差，即可求出被測物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準確度較高，可達1/1000～1/10000，稱量范圍為100克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復雜，加工難度大，造價高。



　　音叉式傳感器(圖9 )的彈性元件是音叉。音叉端部固定有壓電元件，它以音叉的固有頻率振蕩，并可測出振蕩頻率。當承重臺上加有被測物時，音叉拉伸方向受力而固有頻率增加，增加的程度與施加力的平方根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小，計量準確度高達 1/10000～1/200000，稱量范圍為500g～10kg。



　　陀螺儀式傳感器 　如圖10所示，轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中，以角速度ω繞X軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。內(nèi)框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接，并可繞水平軸 Y 傾斜轉(zhuǎn)動。外框架經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機座聯(lián)接，并可繞垂直軸Z 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸 (X軸)在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z 轉(zhuǎn)動（進動）。進動角速度ω與外力P/2成正比，通過檢測頻率的方法測出ω，即可求出外力大小，進而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。



　　陀螺儀式傳感器響應時間快(5秒)，無滯后現(xiàn)象，溫度特性好（3ppm）， 振動影響小， 頻率測量準確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計量準確度(1/30000～1/60000)。
　　電阻應變式傳感器　利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作（圖11）。主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。電阻應變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號輸出。電信號經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物的質(zhì)量。



　　電阻應變式傳感器的稱量范圍為300g至數(shù)千kg，計量準確度達1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。

其實稱重傳感器就是壓力傳感器，形狀不一樣而已，通常有很多種方法傳感的，但我見到，用得比較多，比如地磅用的那些，一般為電渦流式

也就是說，他有一個電渦流觸發(fā)繞組，然后還有一個傳感器感應電渦流強度


由于這個傳感器整體是金屬封裝，電渦流在其內(nèi)部，受到壓后形變，渦流就發(fā)生變化，放大后就可以讀到數(shù)據(jù)了


然后，封裝這個東西的材料，通常選用剛性材料， 總之，就是一般的金屬，比如鋼，但肯定不會用很軟的東西的。至少電渦流方式傳感的壓力傳感器，是不會用軟金屬制造的。


因為即使是鋼，就算受到壓力形變那么幾微米，那么電渦流的變化也足夠感應出到底變化了多少而且如果是軟金屬，稱很重東西的時候，可能很容易出問題。  

一、什么是傳感器？

 

 

傳感器是將被測的某一物理量（或信號）按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為與其對應的另一種（或同種）物理量（或信號）輸出的裝置。

 

 

被測物理量       傳感器       輸出物理量

 

 

二、傳感器發(fā)展方向

 

 

1.    高精度、高靈敏度；

 

 

2.    高可靠性、寬溫度范圍、抗干擾強；

 

 

3.    微型化（小尺寸、重量輕）和高強度；

 

 

4.    微功耗及無源化；

 

 

5.    智能化、數(shù)字化、高響應速率；

 

 

6.    互換性好，成本低，安全無污染方向；

 

 

7.    抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、水、空氣)能力強方向

 

 

8.    仿生傳感器：將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：

 

 

1) 光敏——視覺；       2) 聲敏——聽覺；           3) 氣敏——嗅覺；   

 

 

4) 化學——味覺；       5) 壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

 

 

第二節(jié)   稱重傳感器工作原理

 

 

一、稱重傳感器的基本知識

 

 

1. 定義：GB/T7551-1997《稱重傳感器》

    考慮到使用地點的重力加速度（g）和空氣浮力（f）的影響后，通過把其中一種被測量（質(zhì)量）轉(zhuǎn)換成另外一種被測量（輸出）來測量質(zhì)量的力傳感器。

 

 

被測量（質(zhì)量）       稱重傳感器       輸出

 

 

2. 組成

敏感元件+傳感元件+測量電路

 

 

其中：敏感元件——電阻應變計；  傳感元件——彈性體；    測量電路——惠斯通電橋

二、電阻應變計工作原理

 

 

以金屬材料為轉(zhuǎn)換元件的電阻應變計，其轉(zhuǎn)換原理是基于金屬電阻絲的電阻——應變效應。

 

 

所謂應變效應是指金屬導體（電阻絲）的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。如下圖所示：

1. 受力前（F=0）電阻值

R=ρ*L/S                          （1）

式中R——金屬絲的電阻（Ω）；     ρ——金屬絲的電阻率（Ω*M）；

 

 

L——金屬絲的長度（m）；       S——金屬絲的橫截面積（m²）（πD²/4）

 

 

D——金屬絲的直徑（m）

 

 

2. 受力后（F＞0）電阻變化值

⊿R=R*Kε                         （2）

式中⊿R——電阻變化量；        R——原始電阻值；

K——應變計的靈敏系數(shù)；   ε——軸向應變

結(jié)論：金屬絲拉伸，電阻值增加；

      金屬絲壓縮，電阻值減小

3. 幾種常見的電阻應變計外形

4. 電阻應變計的組成部分

5. 我公司常用應變計的阻值（Ω）

350；700；1000

三、稱重傳感器的工作原理

 

 

1. 兩個典型的力學模型

當F＞0時，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被壓縮，阻值減小。

2. 惠斯頓電橋

在應變計的電測技術中，應用最廣泛的測量電路是惠斯通電橋電路。測量電橋由于具有靈敏度高、測量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、容易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點，因此能很好地滿足應變測量的要求。

 

 

電橋根據(jù)電源的性質(zhì)分直流電橋和交流電橋兩種，當Ui為直流時該電橋為直流電橋。電橋電路如上圖所示，它的四個橋臂由R1、R2、R3、R4組成。

 

 

1) 直流電橋的電壓輸出

根據(jù)分壓原理，從D-A-C半橋來看，從D經(jīng)A到C的電壓降為Ui，通過R₁、R₂的電流

I₁=Ui/（R₁+R₂）                         （1）

R2上的電壓降為I₁R₂，代入（1）得

U_AC=Ui*R₂/（R₁+R₂）                    （2）

同樣，D-B-C半橋的電壓降也是Ui，R3上的電壓降為：

U_BC=Ui*R₃/（R₃+R₄）                    （3）

則輸出電壓U_O是U_BC與U_AC之間的差，即

                   R₁R₃-R₂R₄

U_O=U_BC-U_AC=                  Ui       （4）

（R₁+R₂）（R₃+R₄）

由（4）可知，當橋臂電阻滿足如下條件時，即

R1R3=R2R4                       （5）

電橋的輸出電壓U_O=0，電橋處于平衡狀態(tài)。

為了保證測量的準確性，在實測之前應使電橋平衡（置零），這樣輸出電壓只與應變計感受應變所引起的電阻變化有關。

2) 按上述力學模型解釋：

當F=0時，R1R3=R2R4；U₀=0；

當F＞0時，R1、R3增加，R2、R4減小，U₀＞0。

若欲得到與上述電信號相反的結(jié)果時，只需將A與C（或B與D）之間的電源正、負極互換即可。

3) 當橋臂電阻的阻值發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著發(fā)生變化，當⊿R<時，其輸出電壓與電阻變化率⊿R/R（或應變ε）成線性關系。

本節(jié)需掌握重點：

 

 

1、應變計的工作原理；

2、電阻應變計的結(jié)構(gòu)組成；

3、測量電路作業(yè)原理；

4、稱重傳感器的主要組成部分；

5、我公司常用電阻應變計的阻值。

第三節(jié)  稱重傳感器的補償

 

 

一、常見補償內(nèi)容：

 

 

1. 零點不平衡輸出調(diào)整；    

 

 

2. 零點溫度補償； 

 

 

3. 彈性模量補償； 

 

 

4. 非線性補償；    

 

 

5. 靈敏度補償；   

 

 

6. 輸入電阻調(diào)整；

 

 

二、補償原理圖

 

 

R₁~R₄：橋路應變計電阻；（常規(guī)為350Ω）

 

 

作用：直接感受彈性體的應變。

 

 

R_Z：零點補償電阻；

 

 

作用：把空載輸出信號調(diào)整到要求范圍；

 

 

材料：康銅絲（電阻溫度系數(shù)?。?；

 

 

特性：對溫度不敏感

 

 

R_T：零點溫度補償電阻；

 

 

作用：把空載下因環(huán)境溫度的變化而引起的漂移加以補償；

 

 

材料：鎳電阻

 

 

特性：對溫度敏感

 

 

R_M：彈性模量補償電阻；

 

 

作用：補償因環(huán)境變化造成的傳感器滿負荷輸出的變化；

 

 

材料：鎳絲、鎳片電阻

 

 

特性：對溫度敏感

 

 

R_M&rsquo;：彈性模量補償線性化調(diào)整電阻；

 

 

作用：調(diào)整彈模補償?shù)男Ч?/p>

 

 

材料：金屬膜電阻；

 

 

特性：對溫度不敏感

 

 

R_L：線性補償電阻；

 

 

作用：調(diào)整傳感器天然非線性誤差，使呈線性；

 

 

材料：半導體應變計

 

 

特性：對溫度敏感

 

 

R_L’：線性補償調(diào)整電阻；

 

 

作用：調(diào)整線性補償效果

 

 

材料：金屬膜電阻

 

 

特性：對溫度不敏感

 

 

R_S：靈敏度補償電阻；

 

 

作用：調(diào)整傳感器滿負荷輸出，使具有互換性；

 

 

材料：康銅絲

 

 

特性：對溫度不敏感

 

 

R_j：輸入電阻調(diào)整電阻

 

 

作用：調(diào)整傳感器輸入電阻，使具有互換性；

 

 

材料：金屬膜電阻

 

 

特性：對溫度不敏感

 

 

 

三、為什么要進行上述補償？

 

 

1. 零點補償（Rz）

 

 

有些使用場合，當傳感器零點超過一定范圍時，現(xiàn)場儀表顯示異常（不接收或溢出），或者控制系統(tǒng)報警、失控等。

 

 

2. 零點溫度補償（Rt）

 

 

室外作業(yè)的電子衡器或其他稱重檢測裝置，當傳感器感受不同溫度（如早上與中午的溫差），其內(nèi)部電阻值產(chǎn)生相應變化，最終反饋到顯示或控制裝置，使系統(tǒng)作業(yè)出現(xiàn)異常如數(shù)字不穩(wěn)或系統(tǒng)零位偏差等，影響正常工作。

 

 

3. 彈性模量補償（Rm）

 

 

彈性體金屬材料自身都有彈性模量（E）且隨溫度的變化而產(chǎn)生微量變化，在同樣的測量負荷下，天熱時儀表顯示的讀數(shù)要大于天冷時的讀數(shù)（稱量產(chǎn)生了偏差）。這對于高精度計量是不允許的。

 

 

4. 非線性補償

 

 

是針對純柱式結(jié)構(gòu)傳感器先天性線性不良傳感器而言，通過補償可有效改進傳感器的精度，滿足高精度計量要求。

 

 

5. 靈敏度補償

 

 

如果一張桌子有3或4條腿，當3或4條腿長度不一致時，桌子便不穩(wěn)固，容易倒掉。

 

 

同樣，對一臺由2個以上傳感器組成的電子衡器而言，若傳感器的靈敏度不一致，那么這臺衡器便處于非穩(wěn)態(tài)，被稱物品在秤臺的不同方位會得到不同的結(jié)果，而最多只有一個結(jié)果是正確的。這種情況是衡器產(chǎn)品所不允許的，無法完成“公平交易”的目的。

 

 

6. 輸入電阻調(diào)整

 

 

同靈敏度補償情況。

 

 

本節(jié)需掌握重點：

 

 

1、稱重傳感器常見六大補償

 

 

2、進行六大補償?shù)脑?/p>

 

 

3、靈敏度不一致可能導致的結(jié)果