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 稱(chēng)重傳感器稱(chēng)重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置,。用傳感器茵先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對(duì)正確選用稱(chēng)重傳感器關(guān)重要,，它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命,，乃整個(gè)衡器的可靠性和安全性。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,。

稱(chēng)重傳感器簡(jiǎn)介：

　　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*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 稱(chēng)重傳感器

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)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,。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)重傳感器分類(lèi)：

　　[1]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,、電阻應(yīng)變式等8類(lèi)，以電阻應(yīng)變式使用廣,。

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,，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)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力,，使杠桿恢復(fù)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,。 　　電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器原理 　　 　　電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體(彈性元件，敏感梁)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形,，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形,，電阻應(yīng)變片[2]變形后，它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小),，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流),，從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。 　　由此可見(jiàn),，電阻應(yīng)變片,、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器中*的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述,?！?　　一、電阻應(yīng)變片 　　電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上,，即成為一片應(yīng)變片,。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來(lái)介紹一下它的意義,。 　　設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲,，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面是半徑為r的圓形,，其面積記作S,，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ,。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí),，它的電阻值為R： 　　R = ρL/S(Ω) (2—1)　 　　當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形,。設(shè)其伸長(zhǎng)ΔL,，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr,。此外,，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后,，電阻率也會(huì)有所改變,，記作Δρ。 　　對(duì)式(2--1)求全微分,，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后,，他的電阻值改變了多少。我們有： 　　ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 (2—2) 　　用式(2--1)去除式(2--2)得到 　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S (2—3) 　　另外,，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = πr2,，則 Δs = 2πr*Δr,，所以 　　ΔS/S = 2Δr/r (2—4) 　　從材料力學(xué)我們知道 　　Δr/r = -μΔL/L (2—5) 　　其中,，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的,。μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù),。把式(2—4)(2—5)代入(2--3)，有 　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L 　　=(1 + 2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L 　　= K *ΔL/L (2--6) 　　其中 　　K = 1 + 2μ +(Δρ/ρ)/(ΔL/L) (2--7) 　　式(2--6))說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率(電阻相對(duì)變化)和電阻絲伸長(zhǎng)率(長(zhǎng)度相對(duì)變化)之間的關(guān)系,?！?　　需要說(shuō)明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀,、尺寸大小無(wú)關(guān),，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間；其次K值是一個(gè)無(wú)因次量,，即它沒(méi)有量綱,。 　　在材料力學(xué)中ΔL/L稱(chēng)作為應(yīng)變，記作ε,，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大,，很不方便 　　常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作με,。這樣,，式(2--6)常寫(xiě)作： 　　ΔR/R = Kε (2—8)　 　　二、彈性體 　　彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件,。它的功能有兩個(gè),，先是它承受稱(chēng)重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡,；其次,，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)(區(qū))，使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù),。 　　以托利多公司的SB系列稱(chēng)重傳感器的彈性體為例,，來(lái)介紹一下其中的應(yīng)力分布。 　　設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁,?！?　　肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上,、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力,。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮,，若把應(yīng)變片貼在這里,，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮,，阻值減少,。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo),。 　　ε = (3Q(1+μ)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/ (B(H3-h3)+bh3) (2--9) 　　其中：Q--截面上的剪力,；E--揚(yáng)氏模量：μ—泊松系數(shù)；B,、b,、H、h—為梁的幾何尺寸,。 　　需要說(shuō)明的是,，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài),。 　　三,、檢測(cè)電路 　　檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn),，如可以抑制溫度變化的影響,，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱(chēng)重傳感器的補(bǔ)償問(wèn)題等,，所以惠斯登電橋在稱(chēng)重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用,。 　　因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度高，各臂參數(shù)一致,，各種干擾的影響容易相互抵銷(xiāo),，所以稱(chēng)重傳感器均采用全橋式等臂電橋,。