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    稱重傳感器原理
    [2014/11/24 15:25:18]

    稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。用傳感器應先要考慮傳感器所處的實際工作環境,這點對正確選用稱重傳感器至關重要,它關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命,乃至整個衡器的可靠性和安全性。在稱重傳感器主要技術指標的基本概念和評價方法上,新舊國標有質的差異。主要有S型、懸臂型、輪輻式、板環式、膜盒式、橋式、柱筒式等幾種樣式。

    基本簡介編輯

    舊國標將應用對象和使用環境條件完全不同的“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表示。
    柱式稱重傳感器

    柱式稱重傳感器

    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
    傳感器結構圖

    傳感器結構圖

    定比例轉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。在各種衡器和質量計量系統中,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、滯后誤差以及在規定溫度范圍內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成計量總誤差的各個分量進行調整,從而獲得期望的準確度[1] 。

    2分類編輯

    稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等8類,以電阻應變式使用最廣。

    光電式

    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使表盤軸旋轉,帶動移動光柵轉動,使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉換電路和顯示儀表,即可計算出移過的莫爾條紋數量,測出光柵轉動角的大小,從而確定和讀出被測物質量。
    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時,碼盤也隨之轉過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉換成電信號,然后由電路進行數字處理,最后在顯示器上顯示出代表被測質量的數字。光電式傳感器曾主要用在機電結合秤上。

    液壓式

    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量。液壓式傳感器結構簡單而牢固,測量范圍大,但準確度一般不超過1/100。

    電容式

    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量。電容式傳感器耗電量少,造價低,準確度為1/200~1/500。
    主要優點
    電阻、電感和電容是電子技術中的三大類無源元件,電容式傳感器是將被測量的變化轉換成電容量變化的傳感器,它實質上就是一個具有可變參數的電容器[2] 。
    電容式傳感器具有下列優點:
    (1)高阻抗,小功率,僅需很低的輸入能量。
    (2)可獲得較大的變化量,從而具有較高的信噪比和系統穩定性。
    (3)動態響應快,工作頻率可達幾兆赫,稠b接觸測量,被測物是導體或半導體均可。
    (4)結構簡單.適應性強,可在高低溫、強輻射等惡劣的環境下工作,應用較廣。
    隨著電子技術及計算機技術的發展,電容式傳感器所存在的易受干擾和易受分布電容影響等缺點不斷得以克服,而且還開發出容柵位移傳感器和集成電容式傳感器:因此它在非電量測量和自動檢測中得到廣泛應用,可測量壓力、位移、轉速、加速度、A度、厚度、液位、濕度、振動、成分含量等參數。電容式傳感器有著很好的發展前景。
    主要缺點缺點一:輸出阻抗高,負載能力差
    缺點二:輸出特性非線性
    缺點三:寄生電容影響大

    電磁力式

    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,經放大后流入線圈,產生電磁力,使杠桿恢復至平衡狀態。對產生電磁平衡力的電流進行數字轉換,即可確定被測物質量。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。

    磁極變形式

    如圖7所示,鐵磁元件在被測物重力作用下發生機械變形時,內部產生應力并引起導磁率變化,使繞在鐵磁元件(磁極)兩側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

    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,但結構復雜,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

    如圖10所示,轉子裝在內框架中,以角速度ω繞X軸穩定旋轉。內框架經軸承與外框架聯接,并可繞水平軸 Y 傾斜轉動。外框架經萬向聯軸節與機座聯接,并可繞垂直軸Z 旋轉。轉子軸 (X軸)在未受外力作用時保持水平狀態。轉子軸的一端在受到外力(P/2)作用時,產生傾斜而繞垂直軸Z 轉動(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,進而求出產生此外力的被測物的質量。
    陀螺儀式傳感器響應時間快(5秒),無滯后現象,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

    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。

    板環式

    板環式稱重傳感器的結構具有明確的應力流線分布、輸出靈敏度高、彈性體為一整體、結構簡單、受力狀態穩定、易于加工等優點。目前在傳感器生產中還占著較大的比例,而對這種結構傳感器的設計公式目前還不很完善。因這種彈性體的應變計算比較復雜,通常在設計時把它看作為圓環式彈性體進行估算。特別是對1t及以下量程的板環式傳感器設計計算誤差更大,同時往往還會出現較大的非線性誤差。
      
      板環式稱重傳感器用途與特點:結構緊湊、防護性能好。精度高、長期穩定性好。適用于吊鉤秤、機電結合秤及其它力值的測

    數字式

    1.定義
    數字稱重傳感器是一種能將重力轉變為電信號的力-電轉換裝置,它主要是指集電阻應變式稱重傳感器、電子放大器(英文簡稱AMC)、模數轉換技術(英文簡稱ADC)、微處理器(簡稱MCU)于一體的新型傳感器。
    2.特點和應用
    數字稱重傳感器和數字計量儀表技術的發展已逐漸成為稱重技術領域的新寵,其以調試簡便高效、適應現場能力強等優勢正在該領域嶄露頭角。
    3.S型定義
    S型稱重傳感器

    S型稱重傳感器

    S型稱重傳感器如圖所示是傳感器中最為常見的一種傳感器,主要用于測固體間的拉力和壓力,通用也人們也稱之為拉壓力傳感器,因為它的外形像S形狀,所以習慣上也稱S型稱重傳感器,此傳感器采用合金鋼材質,膠密封防護處理,安裝容易,使用方便,適用于吊秤,配料秤,機改秤等電子測力稱重系統。

    3構成編輯

    1、敏感元件
    直接感受被測量(質量)并輸出與被測量有確定關系的其他量的元件。如電阻應變式稱重傳感器的彈性體,是將被測物體的質量轉變為形變;電容式稱重傳感器的彈性體將被測的質量轉變為位移。
    2、變換元件
    又稱傳感元件,是將敏感元件的輸出轉變為便于測量的信號。如電阻應變式稱重傳感器的電阻應變計(或稱電阻應變片),將彈性體的形變轉換為電阻量的變化;電容式稱重傳感器的電容器,將彈性體的位移轉變為電容量的變化。有時某些元件兼有敏感元件和變換元件兩者的職能。如電壓式稱重傳感器的壓電材料,在外載荷的作用下,在發生變形的同時輸出電量。
    3、測量元件
    將變換元件的輸出變換為電信號,為進一步傳輸、處理、顯示、記錄或控制提供方便。如電阻應變式稱重傳感器中的電橋電路,壓電式稱重傳感器的電荷前置放大器。
    4、輔助電源
    為傳感器的電信號輸出提供能量。一般稱重傳感器均需外鏈電源才能工作。因此,作為一個產品必須標明供電的要求,但不作為稱重傳感器的組成部分。有些傳感器,如磁電式速度傳感器,由于他輸出的能量較大,故不需要輔助電源也能正常工作。所以并非所有傳感器都要有輔助電源。

    4原理編輯

    電阻應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)在外力作用下產生彈性變形,使粘貼在它表面的電阻應變片(轉換元件)也隨同產生變形,電阻應變片變形后,它的阻值將發生變化(增大或減。,再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號(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,電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。
    稱重傳感器

    稱重傳感器

    一、電阻應變片
    電阻應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,即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。
    設有一個金屬電阻絲,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是μ。當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)
    當他的兩端受F力作用時,將會伸長,也就是說產生變形。設其伸長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)
    從材料力學我們知道
    Δr/r = -μΔL/L (2—5)
    其中,負號表示伸長時,半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松系數。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)之間的關系。
    需要說明的是:靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數,它和應變片的形狀、尺寸大小無關,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。
    在材料力學中ΔL/L稱作為應變,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構件。它的功能有兩個,首先是它承受稱重傳感器所受的外力,對外力產生反作用力,達到相對靜平衡;其次,它要產生一個高品質的應變場(區),使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。
    以稱重傳感器的彈性體為例,來介紹一下其中的應力分布。
    設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力,但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神,一為壓縮,若把應變片貼在這里,則應變片上半部將受拉伸而阻值增加,而應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變表達式,而不再推導。
    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;B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。
    需要說明的是,上面分析的應力狀態均是“局部”情況,而應變片實際感受的是“平均”狀態。
    三、檢測電路
    檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。因為惠斯登電橋具有很多優點,如可以抑制溫度變化的影響,可以抑制側向力干擾,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用。
    因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高,各臂參數一致,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。

    5常用材料編輯

    稱重傳感器性能的好壞很大程度上取決于制造材料的選擇。稱重傳感器材料包括以下幾個部分:應變片材料、彈性體材料、貼片黏合劑材料、密封膠材料、引線密封材料和引線材料。
      應變片和電阻元件材料
      應變片是稱重傳感器的感應部分,它將外力的大小轉化為電學量輸出,是傳感器最重要的組成部分,常用的應變片基材采用高分子薄膜材料,應變材質通常為高純度康銅 。應變片的性能不僅僅與基材和康銅純度有關,還與制造工藝有關。提高工藝技術水平也是改善傳感器性能一個很重要的方面。
      彈性體材料
      稱重傳感器彈性體的作用是傳遞外力,它必須具有在受到相同力大小的時候,產生形變一樣,因為應變片就粘貼在彈性體上面,彈性體的形變就是應變片的形變;同時它還須具有復位性,在外力消失的時候,可以自動復位。彈性體材料通常選擇各樣金屬,主要有鋁合金、不銹鋼和合金鋼等等。
      貼片黏合劑材料
      貼片黏合劑是把應變片和彈性體牢牢固定在一起,使它們產生的形變永遠一致。由此可見,貼片黏合劑也是一個重要部件。21世紀初,使用叫多的貼片黏合劑是雙組分高分子環氧系列黏合劑。21世紀初,它的性能與它自身的純度、混合方式、儲存時間、固化方式、固化時間等關系很大,在使用之前按要仔細看它的詳細介紹。
      密封膠材料
      早期的稱重傳感器密封都采用密封膠,后來由于制造技術的發展,用焊接技術可以提高極大傳感器的穩定性和使用壽命。雖然21世紀初很多采用了焊接技術,但是某些重要部位還需涂抹一些密封膠。密封膠一般都采用硅膠,硅膠具有穩定性好的優點,可以防潮、防腐蝕,絕緣性能也非常好。
      引線密封和引線材料
      傳感器輸出引線如果不固定的話,會發生損壞或松動,導致信號不穩定或沒有輸出。21世紀初傳感器輸出都采用連接器的方式,連接器的材質和緊固力度也會給輸出帶來影響。最好采用連接器跟密封膠配合使用。內部引線也需要固定,防止其到處移動。引線的質量也很重要,其材質性能從高到低的排列順序依次為鍍銀、銅線和鋁線。如果周圍高頻信號、無線電波干擾嚴重的話,還需采用屏蔽電纜;在腐蝕性環境和易燃易爆場合則需要采用防腐防阻燃和防爆電纜,外加套管進行保護。[3] 

    6安裝注意事項編輯

    1、稱重傳感器要輕拿輕放,尤其對于用合金鋁材料作為彈性體的小容量傳感器,任何振動造成的沖擊或者跌落,都很有可能造成很大的輸出誤差。
    2、設計加載裝置及安裝時應保證加載力的作用稱重傳感器受力軸線重合,使傾斜負荷和偏心負荷的影響減至最小。
    3、在水平調整方面。如果使用的是稱重傳感器的話,其底座的安裝平面要使用水平儀調整直到水平;如果是多個傳感器同時測量的情況,那么它們底座的安裝面要盡量保持在一個水平面上,這樣做的目的主要是為了保證每個傳感器所承受的力量基本一致。
    4、按照其說明中稱重傳感器的量程選定來確定所用傳感器的額定載荷。
    5、為防止化學腐蝕.安裝時宜用凡士林涂稱重傳感器外表面。應避免陽光直曬和環境溫度劇變的場臺使用。
    6、在稱重傳感器加載裝置兩端加接銅編織線做的旁路器。
    7、電纜線不宜自行加長,在確實需加長時應在接頭處錫焊,并加防潮密封膠。
    8、在稱重傳感器周圍最好采用一些擋板把傳感器罩起來。這樣做的目的可防止雜物掉進傳感器的運動部分,影響其測量精度。
    9、傳感器的電纜線應遠離強動力電源線或有脈沖波的場所,無法避競時應把稱重傳感器的電纜線單獨穿入鐵管內,并盡量縮短連接距離。
    10、按其說明中的稱重傳感器量程選定來確定所用傳感器的額定載荷,稱重傳感器雖然本身具備一定的過載能力,但在安裝和使用過程中應盡量避免此種情況。有時短時間的超載,也可能會造成傳感器永久損壞。
    11、在高度精度使用場合,應使/稱重傳感器和儀表在預熱30分鐘后使用。[4] 

    7應用編輯

    在高速公路的入口處建造載重檢測支路,當載重卡車駛過動態稱重橋時,稱重傳感器和電子稱即自行檢查判斷,同時給出信號控制交通信號燈。這樣我們就能很好的知道車輛有沒有超重,從而考慮要不要此車輛通行。這種應用在高速路上的稱重傳感器要求量程大,精度要求不是特別高,但是長期穩定性必須好,隨著傳感器和其它電子設備的發展,將會越來越智能化,從而實現無人控制就能阻止超重車輛通過,還能能車輛按重量收費。[5] 

    8接線方法編輯

    稱重傳感器的出線方式有4線和6線兩種,模塊或稱重變送器的接線也有4線和6線兩種,要接4線還是6線首先要看你的硬件要求是怎樣的,原則是:傳感器能接6線的不接4線,必須接4線的就要進行短接。
      一般的稱重傳感器都是六線制的,當接成四線制時,電源線(EXC-,EXC+)與反饋線(SEN-,SEN+)就分別短接了。SEN+和SEN-是補償線路電阻用的。SEN+和EXC+是通路的,SEN-和EXC-是通路的。
      EXC+和EXC-是給稱重傳感器供電的,但是由于稱重模塊和傳感器之間的線路損耗,實際上傳感器接收到的電壓會小于供電電壓。每個稱重傳感器都有一個mV/V的特性,它輸出的mV信號與接收到的電壓密切相關,SENS+和SENS-實際上是稱重傳感器內的一個高阻抗回路,可以將稱重模塊實際接收到的電壓反饋給稱重模塊。假設EXC+和EXC-為10V,線路損耗,傳感器2mV/V,實際上傳感器輸出最大信號為()*2=19mV,而不是20mV。此時稱重傳感器內部就會把19mV作為最大量程,前提是傳感器必須通過反饋回路把實際電壓反饋給稱重模塊。在稱重傳感器上將EXC+與 SENS+短接,EXC-與SENS-短接,僅限于傳感器與稱重模塊距離較近,電壓損耗非常小的場合,否則測量存在誤差。[6] 


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