稱重傳感器如何工作 稱重傳感器使用

從電子秤到工業(yè)稱重器，傳感器和電子設(shè)備都需要在許多領(lǐng)域測(cè)量物體的重量。

當(dāng)我們談?wù)摐y(cè)量物體的重量時(shí)，是指由于地球重力（重力）的作用而對(duì)物體施加在檢測(cè)系統(tǒng)上的力的檢測(cè)。這就是為什么在物理學(xué)中區(qū)分重量和質(zhì)量的原因，因?yàn)楹笳呤巧眢w的一致性，而重量是對(duì)質(zhì)量以重力加速度施加的力的形式傳遞的感知。質(zhì)量和重量與重力加速度有關(guān)，這并非巧合，重力加速度平均為9.81 m /s2。從這個(gè)論述中可以得出結(jié)論，測(cè)量體重意味著檢測(cè)到一種力量，這并非偶然，我們稱其為力量重量。由于我們是電子設(shè)備，因此我們主要對(duì)電子稱重設(shè)備感興趣，其中有壓力傳感器。

稱重傳感器是一種用于測(cè)量重量并因此測(cè)量壓縮和牽引力的設(shè)備。

稱重傳感器如何工作

當(dāng)以特定方式對(duì)其施加力時(shí)，稱重傳感器會(huì)產(chǎn)生與該力本身成比例的輸出信號(hào)。但是它如何產(chǎn)生這個(gè)信號(hào)呢？好吧，該設(shè)備基于稱為應(yīng)變儀的組件，該組件通過(guò)利用壓阻效應(yīng)來(lái)工作，即某些導(dǎo)電材料在沿某些方向壓縮或擴(kuò)展時(shí)必須改變其電阻率的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象類似于在石英和某些合成陶瓷材料中發(fā)生的壓電效應(yīng)，在壓電材料中，牽引力或壓縮力會(huì)在兩個(gè)相對(duì)的面之間產(chǎn)生電勢(shì)差。

應(yīng)變計(jì)（應(yīng)變計(jì)）稱重傳感器由一個(gè)彈性元件組成，該彈性元件被選擇性地削弱以產(chǎn)生相對(duì)較高的電壓區(qū)域。應(yīng)變儀被應(yīng)用在這些區(qū)域。它們以各種配置連接，盡管最受贊賞的是惠斯通電橋，由四個(gè)如圖1所示布置的應(yīng)變儀形成。在某些情況下，應(yīng)變儀是兩個(gè)，其他兩個(gè)元件是公共電阻。應(yīng)變儀也可以布置成半橋，在這種情況下，我們說(shuō)的是半電池。

惠斯通電橋通過(guò)連續(xù)且穩(wěn)定的激勵(lì)電壓在上，下節(jié)點(diǎn)（+/-激勵(lì)點(diǎn)）之間供電，而輸出信號(hào)則在電橋的水平節(jié)點(diǎn)之間汲取。由于惠斯通電橋基本上是一個(gè)雙電阻分壓器，可從中獲取接地引起的輸出電勢(shì)，因此產(chǎn)生的電壓就是它們之間的差。在圖1的圖中，輸出位于A和B之間。

在沒有施加到單元的任何負(fù)載的情況下，所有應(yīng)變儀都具有相同的電阻，因此點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的電勢(shì)沒有差異。

當(dāng)將負(fù)載施加到電池時(shí)，電壓指示器的電阻增加，而壓縮指示器的電阻減小，因此電橋變得不平衡，并且存在與施加的載荷成比例的電勢(shì)差，可以通過(guò)點(diǎn)A進(jìn)行測(cè)量和B。

一些稱重傳感器和指示器具有檢測(cè)電纜，在前面的圖1中將其稱為+和– SENSE，它們使指示器能夠測(cè)量和調(diào)整施加到傳感器上的激勵(lì)電壓。當(dāng)放置電池時(shí)必須用長(zhǎng)電纜連接時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。

稱重傳感器可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，具體取決于要稱量的物體的幾何形狀。

圖2示出了典型的金屬應(yīng)變儀，其由刻在平行網(wǎng)格線上的金屬箔組成，該金屬箔形成由出口焊盤界定的電路。箔片被接合到，這反過(guò)來(lái)，被約束到所述負(fù)載單元的表面的絕緣載體材料，因?yàn)樗霈F(xiàn)在圖2中。

圖2

在應(yīng)變式稱重傳感器中，通常將稱重傳感器的一端連接到剛性結(jié)構(gòu)上，而另一端則施加到負(fù)載接收設(shè)備上，通過(guò)該負(fù)載接收設(shè)備施加要測(cè)量的負(fù)載或力。在這種情況下，它是一個(gè)雙點(diǎn)像元，我們可以將其同化為懸臂梁，一端卡住，另一端受力。這種稱重傳感器以其簡(jiǎn)單性和低成本而最為普遍。該結(jié)構(gòu)通常是雙目的，即具有兩個(gè)孔的光束。應(yīng)變儀安裝在頂部和底部，以測(cè)量拉伸力和壓縮力。由于應(yīng)變儀可能會(huì)損壞，因此通常會(huì)用橡膠波紋管將其覆蓋并進(jìn)行維修。橫梁本身通常由鍍鎳鋼合金制成。對(duì)于輕載（最大230克），該射束采用銅鈹合金制成，而對(duì)于較高載荷，則采用不銹鋼制成。

在圖3中，我們看到了一個(gè)梁式稱重傳感器，其中顯示了四個(gè)可用的應(yīng)變儀，標(biāo)記為T和C，并交叉布置在弱化的金屬結(jié)構(gòu)的兩個(gè)表面上，以利于變形。使用所示的布置，兩個(gè)應(yīng)變儀測(cè)量拉應(yīng)力，兩個(gè)應(yīng)變儀檢測(cè)壓應(yīng)力，這與將載荷（重量）施加到稱重傳感器上時(shí)的情況完全相同。應(yīng)變計(jì)為四個(gè)，連接在一起形成惠斯通電橋，如圖1所示。，但是在這種情況下，他們的安排是為了使他們相互協(xié)作，否則，一個(gè)方面的阻力變化會(huì)與另一個(gè)方面形成對(duì)比。協(xié)作意味著兩個(gè)T在橋中彼此相對(duì)，從而在施加力時(shí)獲得不平衡。

在惠斯通電橋的相對(duì)角上施加穩(wěn)定的激勵(lì)電壓，并在其他點(diǎn)A和B上測(cè)量信號(hào)。

除了圖3中提出的用于剪切的類型之外，還有圖4中所示的用于牽引（張力傳感器）的類型，例如用于稱重容器和料斗的地方單元懸掛在空中結(jié)構(gòu)上，待稱重的物體從下側(cè)懸掛。該結(jié)構(gòu)實(shí)際上是S形，廣泛用于機(jī)械標(biāo)尺到機(jī)電標(biāo)尺的轉(zhuǎn)換。在這種情況下，電池用于檢測(cè)將杠桿系統(tǒng)連接到輻條的桿的電壓。

圖3

圖4

這類電池的典型容量范圍為45公斤至22噸，而橫梁的容量約為500克至數(shù)十公斤

然后是單點(diǎn)稱重傳感器（圖5），它們被廣泛用于平臺(tái)秤。無(wú)論負(fù)載在何處施加在上部平臺(tái)上，它們都會(huì)檢測(cè)重量。容量通常在1千克到2噸之間，可以容納表面積為幾百cm 2的平臺(tái)。

圖5

稱重傳感器的類型

可以根據(jù)力的施加方向?qū)y(cè)力傳感器進(jìn)行分類，因此我們可以選擇拉伸，壓縮，交替和彎曲的類型（圖6）：第一種通常為S形，第二種通常為S形。紐扣或發(fā)條盒；第三個(gè)是在牽引力和壓縮力上都起作用，第四個(gè)是梁。

圖6

還有測(cè)量精度的分類：超精確，精確，標(biāo)準(zhǔn)。

彈簧材料的形狀取決于測(cè)力傳感器的特性。

可以對(duì)氣密性進(jìn)行另一種分類，如下所示。

?密封的：此類型將應(yīng)變計(jì)的區(qū)域封閉在殼體內(nèi)部，并保護(hù)其免受環(huán)境影響。通常，殼體的內(nèi)部充滿惰性氣體，這使得這些設(shè)備適合在不利的環(huán)境條件下使用，例如在有灰塵或高濕度的情況下在室外使用。使用膜片或波紋管，以免影響彈簧材料的彎曲。

?敞開式：應(yīng)變計(jì)沒有受到保護(hù)，或者最多只能用軟樹脂或橡膠修理，以免受到環(huán)境因素的傷害。它適用于溫度不太高，濕度或灰塵不多的環(huán)境中。

?防爆：由于其結(jié)構(gòu)，這種類型的電池是防火的

除了其組成，應(yīng)力和密封之外，還可根據(jù)其形狀對(duì)稱重傳感器進(jìn)行分類（圖7）。因此，我們有光束類型（光束），罐頭類型（桶），S類型（S）和墊圈類型（墊圈或按鈕）。

單點(diǎn)和多點(diǎn)

稱重傳感器也可以區(qū)分為單點(diǎn)和多點(diǎn)：當(dāng)需要使用單個(gè)稱重傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以使用單點(diǎn)或單點(diǎn)類型，而多點(diǎn)假定使用了多個(gè)載荷。對(duì)于單點(diǎn)傳感器，由于已經(jīng)校正了轉(zhuǎn)角誤差，因此將權(quán)重應(yīng)用于了稱重傳感器。

對(duì)于多點(diǎn)，通常將三個(gè)或四個(gè)稱重傳感器放置在結(jié)構(gòu)的各個(gè)點(diǎn)中，并適當(dāng)添加它們的信號(hào)以校正施加力的任何角度誤差。

圖7

稱重傳感器的使用

要讀取通過(guò)稱重傳感器的力或重量，首先必須評(píng)估最合適的配置，然后是牽引力傳感器以檢測(cè)懸掛的重量或壓縮以稱重系統(tǒng)上的物體；此外，有必要查看需要什么樣的精度以及力來(lái)自哪個(gè)方向。

僅具有兩個(gè)應(yīng)變儀的單元就可以檢測(cè)某種類型的力，并且需要通過(guò)兩個(gè)固定電阻器進(jìn)行電橋連接，而具有四個(gè)應(yīng)變儀的單元?jiǎng)t以交叉方式排列，從而形成一個(gè)完整的惠斯通電橋。

在兩種情況下，電橋提供的信號(hào)都非常小。尤其是僅具有兩個(gè)應(yīng)變儀的單元的電池，因?yàn)榫哂兴膫€(gè)應(yīng)變儀的單元的電池通過(guò)以適當(dāng)?shù)姆绞竭B接元件來(lái)提供差分信號(hào)，因此具有更大的幅度。

在任何情況下，都無(wú)法直接通過(guò)微控制器的ADC或Arduino讀取信號(hào)，但應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)術(shù)語(yǔ)意味著放大剛好足以將電平提高到可以承受可能進(jìn)入連接的干擾的值，并減少任何無(wú)線電干擾。

有特定的集成電路，或者在任何情況下都適用于應(yīng)變式稱重傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)：例如INA125或HX711；這些頁(yè)面的專用框中均顯示了兩者的特征。

稱重傳感器和Arduino

當(dāng)然，Arduino公眾發(fā)現(xiàn)稱重傳感器很有趣，這就是為什么我們考慮創(chuàng)建一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序來(lái)提出建議。應(yīng)該立即指定，要用Arduino讀取稱重傳感器提供的信號(hào)，必須插入一個(gè)調(diào)節(jié)電路，為此目的，上述兩個(gè)集成電路是合適的。在描述的應(yīng)用程序中，我們將使用一個(gè)安裝了HX711（代碼HX711BOARD）和500g稱重傳感器代碼LOADCELL500的分組接口，它們將連接到Arduino，如圖11所示。

圖11

如您所見，該單元具有四根導(dǎo)線，如圖所示進(jìn)行連接。從接線板的輸出中，該接線板從Arduino 5V汲取功率（并依次向稱重傳感器供電），獲取包含有關(guān)重力信息的數(shù)字信號(hào)。更確切地講，分線板通過(guò)DT（數(shù)據(jù)）線在兩線I2C型總線上提供數(shù)據(jù)字符串，該數(shù)據(jù)線與Arduino在SCK線上生成的時(shí)鐘同步。清單1提供了獲取通過(guò)稱重傳感器和HX711讀取的讀數(shù)所必需的代碼。

清單1

#include“ HX711.h”

#define Calibration_factor -9580.00 //此值是使用

// SparkFun_HX711_Calibration草圖

＃定義DOUT 4

＃定義CLK 5

HX711標(biāo)度（DOUT，CLK）;

void setup（）{

Serial.begin（9600）;

Serial.println（“ HX711 scale demo”）;

scale.set_scale（calibration_factor）;

scale.tare（）; //假設(shè)秤上沒有重量

//在啟動(dòng)時(shí)，將比例重置為0

Serial.println（“ Readings：”）;

}

無(wú)效循環(huán)（）{

Serial.print（“ Reading：”）;

float libbre = scale.get_units（）;

浮動(dòng)公斤=（libbre / 2.2046）;

Serial.print（kg，1）; //scale.get_units（）返回一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)

Serial.print（“ kg”）; //您可以將其更改為kg，但是您需要

//重構(gòu)Calibration_factor

Serial.println（）;

}

現(xiàn)在，讓我們轉(zhuǎn)到基于不同配置的第二個(gè)應(yīng)用示例，即2個(gè)半電池，每個(gè)電池的容量為50kg（代碼LC50KG），總?cè)萘康扔?00kg。在電氣上，這些半單元構(gòu)成惠斯通電橋的每一半，并通過(guò)基于HX711的常規(guī)分線板進(jìn)行連接，如圖12所示。

圖12

這些稱重傳感器具有以下特征：

輸出信號(hào)= 1 mV（±0.1）;

非線性= 0.05（滿量程的百分比）;

磁滯= 0.05（滿量程的％）;

重復(fù)性= 0.05（滿量程的百分比）;

1分鐘后蠕變= 0.1（滿量程的％）;

溫度對(duì)出口的影響= 10°C（滿量程的0.1％）；

溫度對(duì)零的影響= 10°C（滿量程的0.3％）;

輸入電阻= 1 kohm（±10）;

輸出電阻= 1 kohm（±10）;

絕緣電阻》 2，000 Mohm

工作溫度= -10°C至+ 40°C;

電橋激勵(lì)電壓= 10 V;

尺寸（毫米）：34x34x8。

對(duì)于Arduino連接，請(qǐng)記住，紅色線是正極（VCC），黑色是負(fù)極（GND），白色是要連接的輸出（OUT），如圖所示。

清單2中提供了用于通過(guò)初始皮重確定來(lái)執(zhí)行重量測(cè)量的Arduino代碼，其中包括HX711庫(kù)。

清單2

#include“ HX711.h”

#define Calibration_factor -9580.00 //獲得的校準(zhǔn)系數(shù)

//使用草圖SparkFun_HX711_Calibration

#define DOUT 4 //數(shù)字引腳DT

＃定義CLK 5 //數(shù)字引腳SCK

HX711標(biāo)度（DOUT，CLK）;

void setup（）{

Serial.begin（9600）;

Serial.println（“ Rilevazione Peso con Tara iniziale”）；

scale.set_scale（calibration_factor）;

scale.tare（）; //確保開始時(shí)沒有重量。

延遲（500）;

Serial.println（“ Tara in corso 。.. non mettere nessun peso！”）；

延遲（1000）;

Serial.println（“ Sistema pronto?！保?

延遲（300）;

}

無(wú)效循環(huán)（）{

Serial.print（“ Peso：”）;

浮動(dòng)磅= scale.get_units（）;

浮動(dòng)公斤=（libbre / 2.2046）; //轉(zhuǎn)換重量磅（千克）

Serial.print（kg，1）;

Serial.print（“ kg”）;

Serial.println（）;

延遲（500）; //延遲的體重讀數(shù)。減少閱讀次數(shù)！

}

具有四個(gè)半電池的電路

圖13

從先前的配置中，我們獲得了另一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4個(gè)相同類型的半測(cè)力傳感器組成，可用于檢測(cè)放置在半測(cè)力傳感器上的板條箱的重量，每個(gè)板條測(cè)力傳感器都布置在墻的一個(gè)角上。例如圖13中提出的結(jié)構(gòu)。由于每個(gè)稱重傳感器（半個(gè)稱重傳感器）的重量均為50千克，因此我們可以通過(guò)完美平衡的方式達(dá)到最大200千克的重量，因?yàn)槲覀兊脑挥谒膫€(gè)角上。圖14提出的接線圖描述了用Arduino創(chuàng)建的電路; 紅色電纜從每個(gè)單元中“拾取”并連接到HX711板的引腳。這種惠斯通電橋構(gòu)造允許具有平衡的系統(tǒng)，其中以平衡的方式測(cè)量重量。清單3中提出了與后一個(gè)應(yīng)用程序示例相關(guān)的Arduino代碼。

圖14

清單3

#include“ HX711.h”

＃定義DOUT 4

＃定義CLK 5

const int buttonPin = 2;

int buttonState = 0;

HX711標(biāo)度（DOUT，CLK）;

浮動(dòng)校正系數(shù)= -9640.00; //-7050適用于我的440lb最大比例設(shè)置

void setup（）{

Serial.begin（9600）;

Serial.println（“ HX711校準(zhǔn)草圖”）；

Serial.println（“讀數(shù)開始后，將已知重量放到秤上”）；

Serial.println（“按+或a增加校準(zhǔn)系數(shù)”）；

Serial.println（“按-或z減小校準(zhǔn)系數(shù)”）；

scale.set_scale（）;

scale.tare（）; //將比例尺重置為0

long zero_factor = scale.read_average（）; //獲取基線讀數(shù)

Serial.print（“零系數(shù)：”）; //這可用于消除去皮磅的需要。在永久規(guī)模的項(xiàng)目中很有用。

Serial.println（zero_factor）;

pinMode（buttonPin，INPUT）;

}

無(wú)效循環(huán)（）{

buttonState = digitalRead（buttonPin）;

如果（buttonState == HIGH）{

scale.set_scale（）;

scale.tare（）; //將比例尺重置為0

long zero_factor = scale.read_average（）; //獲取基線讀數(shù)

Serial.print（“零系數(shù)：”）; //這可用于消除去皮磅的需要。

Serial.println（zero_factor）;

pinMode（buttonPin，INPUT）;

}

scale.set_scale（calibration_factor）; //調(diào)整到這個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)

Serial.print（“ Reading：”）;

float libbre = scale.get_units（）;

浮動(dòng)公斤=（libbre / 2.2046）;

Serial.print（kg，1）; //scale.get_units（）返回一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)

Serial.print（“ kg”）;

Serial.print（“ Calibration_factor：”）;

Serial.print（calibration_factor）;

Serial.println（）;

if（Serial.available（））

{

char temp = Serial.read（）;

if（temp ==‘+’|| temp ==‘a(chǎn)’）

標(biāo)定系數(shù)+ = 10;

否則if（temp ==‘-’|| temp ==‘z’）

標(biāo)定系數(shù)-= 10;

}

}