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稱重傳感器稱重傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器茵先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境,，這點對正確選用稱重傳感器關(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，乃整個衡器的可靠性和安全性,。在稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評價方法上,，新舊國標(biāo)有質(zhì)的差異。
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稱重傳感器簡介：
傳統(tǒng)概念上,，負(fù)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(biāo)將應(yīng)用對象和使用環(huán)境條件*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(biāo)共有21項指標(biāo),，均在常溫下進(jìn)行試驗,；并用非線性、滯后誤差,、重復(fù)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(biāo)中的大誤差，來確定稱重傳感器準(zhǔn)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 稱重傳感器
定比例轉(zhuǎn)換成可計量的輸出信號,?？紤]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(biāo)主要有線性誤差,、滯后誤差,、重復(fù)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(zhǔn)確度,，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶（圖1）起來,，以便選用對應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的稱重傳感器。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(jìn)行調(diào)整,，從而獲得期望的準(zhǔn)確度。
稱重傳感器分類：
[1]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,、電阻應(yīng)變式等8類,，以電阻應(yīng)變式使用廣。
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(jìn)行數(shù)字處理，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(zhǔn)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(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作（圖5）。當(dāng)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(fù)平衡狀態(tài)。對產(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,，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(zhǔn)確度為1/200～1/500,。
磁極變形式傳感器
如圖7所示,，鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機械變形時,，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)的次級線圈的感應(yīng)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(jìn)而確定被測物的質(zhì)量,。磁極變形式傳感器的準(zhǔn)確度不高，一般為1/100,，適用于大噸位稱量工作,，稱量范圍為幾十幾萬千克。
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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(jìn)而求出其質(zhì)量,。振動式傳感器有振弦式和音叉式兩種。 振弦式傳感器的彈性元件是弦絲,。當(dāng)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(zhǔn)確度較高，可達(dá)1/1000～1/10000,，稱量范圍為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,，并可測出振蕩頻率,。當(dāng)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(jìn)而求出重物質(zhì)量,。音叉式傳感器耗電量小，計量準(zhǔn)確度高達(dá)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(jìn)動）。進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(zhǔn)確精度高，故可得到高的分辨率（1/100000）和高的計量準(zhǔn)確度（1/30000～1/60000）,。
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電阻應(yīng)變式傳感器
利用電阻應(yīng)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(yīng)變片,、測量電路和傳輸電纜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，其上的應(yīng)變片隨之變形,，并導(dǎo)致電阻改變,。測量電路測出應(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(yīng)變式傳感器的稱量范圍為300g數(shù)千kg,，計量準(zhǔn)確度達(dá)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。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理 電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：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?。俳?jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流）,，從而完成了將外力變換為電信號的過程,。 由此可見,，電阻應(yīng)變片,、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中*的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述,?！? 一、電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上,，即成為一片應(yīng)變片,。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義,。 設(shè)有一個金屬電阻絲,，其長度為L，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,，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，將會伸長,，也就是說產(chǎn)生變形,。設(shè)其伸長ΔL，其橫截面積則縮小,，即它的截面圓半徑減少Δr,。此外,，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后,，電阻率也會有所改變,，記作Δρ。 對式（2--1）求全微分,，即求出電阻絲伸長后,，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)號表示伸長時,，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））說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關(guān)系?！? 需要說明的是：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)決定的一個常數(shù),，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān),，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間,；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱,。 在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變,，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大,，很不方便 常常把它的百萬分之一作為單位,，記作με。這樣,，式（2--6）常寫作： ΔR/R = Kε （2—8） 二,、彈性體 彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個,，先是它承受稱重傳感器所受的外力,，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡,；其次,，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（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)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例,，來介紹一下其中的應(yīng)力分布,。 設(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂梁?！? 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--揚氏模量：μ—泊松系數(shù),；B、b,、H,、h—為梁的幾何尺寸。 需要說明的是,，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況,，而應(yīng)變片實際感受的是“平均”狀態(tài),。 三,、檢測電路 檢測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驗榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點,，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重傳感器的補償問題等,，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用,。 因為全橋式等臂電橋的靈敏度高，各臂參數(shù)*,，各種干擾的影響容易相互抵銷,，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。
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