稱(chēng)重傳感器原理

在稱(chēng)重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評(píng)價(jià)方法上，新舊國(guó)標(biāo)有質(zhì)的差異。

傳統(tǒng)概念上，負(fù)荷傳感器是稱(chēng)重傳感器、測(cè)力傳感器的統(tǒng)稱(chēng)，用單項(xiàng)參數(shù)評(píng)價(jià)它的計(jì)量特性。舊國(guó)標(biāo)將應(yīng)用對(duì)象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱(chēng)重”和“測(cè)力”兩種傳感器合二為一來(lái)考慮，對(duì)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法未給予區(qū)分。舊國(guó)標(biāo)共有21項(xiàng)指標(biāo)，均在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)；并用非線(xiàn)性、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差6項(xiàng)指標(biāo)中的最大誤差，來(lái)確定稱(chēng)重傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)，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(cè)物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的輸出信號(hào)。考慮到不同使用地點(diǎn)的重力加速度和空氣浮力對(duì)轉(zhuǎn)換的影響，稱(chēng)重傳感器的性能指標(biāo)主要有線(xiàn)性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計(jì)量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來(lái)綜合控制傳感器準(zhǔn)確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶(圖1)聯(lián)系起來(lái)，以便選用對(duì)應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的稱(chēng)重傳感器。國(guó)際法制計(jì)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(chēng)重傳感器的線(xiàn)性誤差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內(nèi)由于溫度對(duì)靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過(guò)誤差帶δ。這就允許制造廠對(duì)構(gòu)成計(jì)量總誤差的各個(gè)分量進(jìn)行調(diào)整，從而獲得期望的準(zhǔn)確度。

       稱(chēng)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(dòng)式、陀螺儀式、電陰應(yīng)變式等8類(lèi)，以電阻應(yīng)變式使用最廣。
　　光電式傳感器 　包括光柵式和碼盤(pán)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(hào)（圖2）。光柵有兩塊，一為固定光柵，另一為裝在表盤(pán)軸上的移動(dòng)光柵。加在承重臺(tái)上的被測(cè)物通過(guò)傳力杠桿系統(tǒng)使表盤(pán)軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)移動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，使莫爾條紋也隨之移動(dòng)。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計(jì)算出移過(guò)的莫爾條紋數(shù)量，測(cè)出光柵轉(zhuǎn)動(dòng)角的大小，從而確定和讀出被測(cè)物質(zhì)量。



　　碼盤(pán)式傳感器（圖3）的碼盤(pán)（符號(hào)板）是一塊裝在表盤(pán)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(tái)上的被測(cè)物通過(guò)傳力杠桿使表盤(pán)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤(pán)也隨之轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。光電池將透過(guò)碼盤(pán)接受光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后由電路進(jìn)行數(shù)字處理，最后在顯示器上顯示出代表被測(cè)質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機(jī)電結(jié)合秤上。



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



　　電磁力式傳感器　它利用承重臺(tái)上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作（圖5）。當(dāng)承重臺(tái)上放有被測(cè)物時(shí)，杠桿的一端向上傾斜；光電件檢測(cè)出傾斜度信號(hào)，經(jīng)放大后流入線(xiàn)圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復(fù)至平衡狀態(tài)。對(duì)產(chǎn)生電磁平衡力的電流進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測(cè)物質(zhì)量。電磁力式傳感器準(zhǔn)確度高，可達(dá) 1/2000～1/60000，但稱(chēng)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(guān)系工作(圖6 )。極板有兩塊，一塊固定不動(dòng)，另一塊可移動(dòng)。在承重臺(tái)加載被測(cè)物時(shí)，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(cè)出頻率的變化即可求出承重臺(tái)上被測(cè)物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少，造價(jià)低，準(zhǔn)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(cè)物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起導(dǎo)磁率變化，使繞在鐵磁元件（磁極）兩側(cè)的次級(jí)線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓也隨之變化。測(cè)量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力，進(jìn)而確定被測(cè)物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準(zhǔn)確度不高，一般為1/100，適用于大噸位稱(chēng)量工作，稱(chēng)量范圍為幾十至幾萬(wàn)千克。



　　振動(dòng)式傳感器 彈性元件受力后，其固有振動(dòng)頻率與作用力的平方根成正比。測(cè)出固有頻率的變化，即可求出被測(cè)物作用在彈性元件上的力，進(jìn)而求出其質(zhì)量。振動(dòng)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(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，V形弦絲的交點(diǎn)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(cè)物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準(zhǔn)確度較高，可達(dá)1/1000～1/10000，稱(chēng)量范圍為100克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，造價(jià)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(cè)出振蕩頻率。當(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，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(cè)出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進(jìn)而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小，計(jì)量準(zhǔn)確度高達(dá) 1/10000～1/200000，稱(chēng)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(dòng)。外框架經(jīng)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)與機(jī)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(shí)保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時(shí)，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z 轉(zhuǎn)動(dòng)（進(jìn)動(dòng)）。進(jìn)動(dòng)角速度ω與外力P/2成正比，通過(guò)檢測(cè)頻率的方法測(cè)出ω，即可求出外力大小，進(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測(cè)物的質(zhì)量。



　　陀螺儀式傳感器響應(yīng)時(shí)間快(5秒)，無(wú)滯后現(xiàn)象，溫度特性好（3ppm）， 振動(dòng)影響小， 頻率測(cè)量準(zhǔn)確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計(jì)量準(zhǔn)確度(1/30000～1/60000)。
　　電阻應(yīng)變式傳感器　利用電阻應(yīng)變片變形時(shí)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(yīng)變片、測(cè)量電路和傳輸電纜4部分組成。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時(shí)，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻改變。測(cè)量電路測(cè)出應(yīng)變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號(hào)輸出。電信號(hào)經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測(cè)物的質(zhì)量。



　　電阻應(yīng)變式傳感器的稱(chēng)量范圍為300g至數(shù)千kg，計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。

其實(shí)稱(chēng)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(jiàn)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(shuō)，他有一個(gè)電渦流觸發(fā)繞組，然后還有一個(gè)傳感器感應(yīng)電渦流強(qiáng)度


由于這個(gè)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(gè)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(huì)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(huì)用軟金屬制造的。


因?yàn)榧词故卿摚退闶艿綁毫π巫兡敲磶孜⒚?，那么電渦流的變化也足夠感應(yīng)出到底變化了多少而且如果是軟金屬，稱(chēng)很重東西的時(shí)候，可能很容易出問(wèn)題。  

一、什么是傳感器？

 

 

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

 

 

被測(cè)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(qiáng)；

 

 

3.    微型化（小尺寸、重量輕）和高強(qiáng)度；

 

 

4.    微功耗及無(wú)源化；

 

 

5.    智能化、數(shù)字化、高響應(yīng)速率；

 

 

6.    互換性好，成本低，安全無(wú)污染方向；

 

 

7.    抗環(huán)境影響(熱、振動(dòng)、酸、堿、水、空氣)能力強(qiáng)方向

 

 

8.    仿生傳感器：將傳感器的功能與人類(lèi)5大感覺(jué)器官相比擬：

 

 

1) 光敏——視覺(jué)；       2) 聲敏——聽(tīng)覺(jué)；           3) 氣敏——嗅覺(jué)；   

 

 

4) 化學(xué)——味覺(jué)；       5) 壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺(jué)

 

 

第二節(jié)   稱(chēng)重傳感器工作原理

 

 

一、稱(chēng)重傳感器的基本知識(shí)

 

 

1. 定義：GB/T7551-1997《稱(chēng)重傳感器》

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

 

 

被測(cè)量（質(zhì)量）       稱(chēng)重傳感器       輸出

 

 

2. 組成

敏感元件+傳感元件+測(cè)量電路

 

 

其中：敏感元件——電阻應(yīng)變計(jì)；  傳感元件——彈性體；    測(cè)量電路——惠斯通電橋

二、電阻應(yīng)變計(jì)工作原理

 

 

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

 

 

所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體（電阻絲）的電阻值隨變形（伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)；   ε——軸向應(yīng)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(jiàn)的電阻應(yīng)變計(jì)外形

4. 電阻應(yīng)變計(jì)的組成部分

5. 我公司常用應(yīng)變計(jì)的阻值（Ω）

350；700；1000

三、稱(chēng)重傳感器的工作原理

 

 

1. 兩個(gè)典型的力學(xué)模型

當(dāng)F＞0時(shí)，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(yīng)變計(jì)的電測(cè)技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的測(cè)量電路是惠斯通電橋電路。測(cè)量電橋由于具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此能很好地滿(mǎn)足應(yīng)變測(cè)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(dāng)Ui為直流時(shí)該電橋?yàn)橹绷麟姌?。電橋電路如上圖所示，它的四個(gè)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(lái)看，從D經(jīng)A到C的電壓降為Ui，通過(guò)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(dāng)橋臂電阻滿(mǎn)足如下條件時(shí)，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(cè)量的準(zhǔn)確性，在實(shí)測(cè)之前應(yīng)使電橋平衡（置零），這樣輸出電壓只與應(yīng)變計(jì)感受應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。

2) 按上述力學(xué)模型解釋?zhuān)?/p>

當(dāng)F=0時(shí)，R1R3=R2R4；U₀=0；

當(dāng)F＞0時(shí)，R1、R3增加，R2、R4減小，U₀＞0。

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

3) 當(dāng)橋臂電阻的阻值發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著發(fā)生變化，當(dāng)⊿R<時(shí)，其輸出電壓與電阻變化率⊿R/R（或應(yīng)變ε）成線(xiàn)性關(guān)系。

本節(jié)需掌握重點(diǎn)：

 

 

1、應(yīng)變計(jì)的工作原理；

2、電阻應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)組成；

3、測(cè)量電路作業(yè)原理；

4、稱(chēng)重傳感器的主要組成部分；

5、我公司常用電阻應(yīng)變計(jì)的阻值。

第三節(jié)  稱(chēng)重傳感器的補(bǔ)償

 

 

一、常見(jiàn)補(bǔ)償內(nèi)容：

 

 

1. 零點(diǎn)不平衡輸出調(diào)整；    

 

 

2. 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償； 

 

 

3. 彈性模量補(bǔ)償； 

 

 

4. 非線(xiàn)性補(bǔ)償；    

 

 

5. 靈敏度補(bǔ)償；   

 

 

6. 輸入電阻調(diào)整；

 

 

二、補(bǔ)償原理圖

 

 

R₁~R₄：橋路應(yīng)變計(jì)電阻；（常規(guī)為350Ω）

 

 

作用：直接感受彈性體的應(yīng)變。

 

 

R_Z：零點(diǎn)補(bǔ)償電阻；

 

 

作用：把空載輸出信號(hào)調(diào)整到要求范圍；

 

 

材料：康銅絲（電阻溫度系數(shù)?。?/p>

 

 

特性：對(duì)溫度不敏感

 

 

R_T：零點(diǎn)溫度補(bǔ)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(bǔ)償；

 

 

材料：鎳電阻

 

 

特性：對(duì)溫度敏感

 

 

R_M：彈性模量補(bǔ)償電阻；

 

 

作用：補(bǔ)償因環(huán)境變化造成的傳感器滿(mǎn)負(fù)荷輸出的變化；

 

 

材料：鎳絲、鎳片電阻

 

 

特性：對(duì)溫度敏感

 

 

R_M&rsquo;：彈性模量補(bǔ)償線(xiàn)性化調(diào)整電阻；

 

 

作用：調(diào)整彈模補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

 

 

材料：金屬膜電阻；

 

 

特性：對(duì)溫度不敏感

 

 

R_L：線(xiàn)性補(bǔ)償電阻；

 

 

作用：調(diào)整傳感器天然非線(xiàn)性誤差，使呈線(xiàn)性；

 

 

材料：半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)

 

 

特性：對(duì)溫度敏感

 

 

R_L’：線(xiàn)性補(bǔ)償調(diào)整電阻；

 

 

作用：調(diào)整線(xiàn)性補(bǔ)償效果

 

 

材料：金屬膜電阻

 

 

特性：對(duì)溫度不敏感

 

 

R_S：靈敏度補(bǔ)償電阻；

 

 

作用：調(diào)整傳感器滿(mǎn)負(fù)荷輸出，使具有互換性；

 

 

材料：康銅絲

 

 

特性：對(duì)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(duì)溫度不敏感

 

 

 

三、為什么要進(jìn)行上述補(bǔ)償？

 

 

1. 零點(diǎn)補(bǔ)償（Rz）

 

 

有些使用場(chǎng)合，當(dāng)傳感器零點(diǎn)超過(guò)一定范圍時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)儀表顯示異常（不接收或溢出），或者控制系統(tǒng)報(bào)警、失控等。

 

 

2. 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償（Rt）

 

 

室外作業(yè)的電子衡器或其他稱(chēng)重檢測(cè)裝置，當(dāng)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(yīng)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(bǔ)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(cè)量負(fù)荷下，天熱時(shí)儀表顯示的讀數(shù)要大于天冷時(shí)的讀數(shù)（稱(chēng)量產(chǎn)生了偏差）。這對(duì)于高精度計(jì)量是不允許的。

 

 

4. 非線(xiàn)性補(bǔ)償

 

 

是針對(duì)純柱式結(jié)構(gòu)傳感器先天性線(xiàn)性不良傳感器而言，通過(guò)補(bǔ)償可有效改進(jìn)傳感器的精度，滿(mǎn)足高精度計(jì)量要求。

 

 

5. 靈敏度補(bǔ)償

 

 

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

 

 

同樣，對(duì)一臺(tái)由2個(gè)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(tái)衡器便處于非穩(wěn)態(tài)，被稱(chēng)物品在秤臺(tái)的不同方位會(huì)得到不同的結(jié)果，而最多只有一個(gè)結(jié)果是正確的。這種情況是衡器產(chǎn)品所不允許的，無(wú)法完成“公平交易”的目的。

 

 

6. 輸入電阻調(diào)整

 

 

同靈敏度補(bǔ)償情況。

 

 

本節(jié)需掌握重點(diǎn)：

 

 

1、稱(chēng)重傳感器常見(jiàn)六大補(bǔ)償

 

 

2、進(jìn)行六大補(bǔ)償?shù)脑?/p>

 

 

3、靈敏度不一致可能導(dǎo)致的結(jié)果