稱重傳感器原理
一、稱重傳感器的定義
稱重傳感器是指電子衡器上使用的一種力傳感器，能將作用在被測物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計量的輸出信號，是在考慮到使用地點(diǎn)的重力加速度（g）和空氣浮力（f）的影響后，通過把其中一種被測量（質(zhì)量）轉(zhuǎn)換成另外一種被測量（輸出）來測量質(zhì)量的力的傳感器。
二、電阻應(yīng)變式稱重傳感器的基本原理
電阻應(yīng)變式稱重傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜四部分組成。稱重傳感器的彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）同時產(chǎn)生變形。電阻應(yīng)變片變形后，其阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而完成了將外力變換為電信號的過程。
1、電阻應(yīng)變片
電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械地分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上。電阻應(yīng)變片的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。當(dāng)其兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。伸長時，其橫截面積則縮小，截面圓半徑則減少。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）之間成比例的關(guān)系。
需要說明的是：靈敏度系數(shù)K是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù)，與應(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，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。
2、彈性體
彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。其功能有兩個，首先是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；其次是提供一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想地完成電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。
3、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(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重傳感器的補(bǔ)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最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵消，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。
三、如何選用稱重傳感器
稱重傳感器被喻為電子衡器的心臟，它的性能在很大程度上決定了電子衡器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。在設(shè)計電子衡器時，經(jīng)常要遇到如何選用傳感器的問題。
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。傳感器所處的實際工作環(huán)境，正確選用傳感器至關(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，乃至整個衡器的可靠性和安全性。
稱重傳感器在選用時要考慮到很多因素，實際的使用當(dāng)中我們主要從下列幾個因素考慮。另外，稱重傳感器的靈敏度、最大分度數(shù)、最小檢定分度值等也是傳感器選用中必須考慮的指標(biāo)。
1. 稱重傳感器的數(shù)量和量程
傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實際使用時，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。
下面給出一個經(jīng)過大量實驗驗證的經(jīng)驗公式。
公式如下：
C=K0 × K1 × K2 × K3 (Wmax+W)/N
式中 C一單個傳感器的額定量程
W一秤體自重
Wmax一被稱物體凈重的最大值
N一秤體所采用支撐點(diǎn)的數(shù)量
K0一保險系數(shù)，一般取1.2～1.3之間
K1一沖擊系數(shù)
K2一秤體的重心偏移系數(shù)
K3一風(fēng)壓系數(shù)
根據(jù)經(jīng)驗，一般應(yīng)使稱重傳感器在其30%～70%量程內(nèi)工作。但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的衡器，如動態(tài)軌道衡、動態(tài)汽車衡、鋼材秤等，在選用稱重傳感器時，一般要擴(kuò)大其量程，使稱重傳感器在其量程的20%～30%之內(nèi)工作，使稱重傳感器的稱量儲備量程增大，以保證稱重傳感器的使用安全和壽命。稱重傳感器型式的選擇主要取決于稱量的類型和安裝空間，保證安裝合適，稱量安全可靠；另一方面，要考慮稱重傳感器制造廠的建議。制造廠一般會根據(jù)稱重傳感器的受力情況、性能指標(biāo)、安裝形式、結(jié)構(gòu)型式、彈性體的材質(zhì)等特點(diǎn)規(guī)定稱重傳感器的適用范圍，比如鋁式懸臂梁稱重傳感器適用于計價秤、平臺秤、案秤等，鋼式懸臂梁稱重傳感器適用于料斗秤、電子皮帶秤、分選秤等，鋼質(zhì)橋式稱重傳感器適用于軌道衡、汽車衡、天車秤等，柱式稱重傳感器適用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。
2.稱重傳感器的準(zhǔn)確度等級選擇
稱重傳感器的準(zhǔn)確度等級包括稱重傳感器的非線性、蠕變、重復(fù)性、滯后、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)。在選用的時候不應(yīng)該盲目追求高等級的稱重傳感器，應(yīng)該考慮電子衡的準(zhǔn)確度等級和成本。一般情況下，選用稱重傳感器的總精度為非線性、不重復(fù)性和滯后三項指標(biāo)的之和的均方根值略高于秤的精度。
3.各種類型稱重傳感器的使用范圍
選用的稱重傳感器須滿足儀表輸入靈敏度的要求，須能夠與所選儀表匹配，滿足整臺電子秤準(zhǔn)確度的要求。一臺電子秤主要是由機(jī)械機(jī)構(gòu)、稱重傳感器、儀表三部分組成，在對稱重傳感器準(zhǔn)確度選擇的時候，應(yīng)使稱重傳感器的準(zhǔn)確度略高于理論計算值，因為理論往往受到客觀條件的限制，如機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、儀表的性能、秤的工作環(huán)境惡劣程度等因素都直接影響到秤的準(zhǔn)確度。因此要從各方面提高要求，兼顧經(jīng)濟(jì)效益，確保達(dá)到目的。
4.使用環(huán)境
一般情況下，高溫環(huán)境對稱重傳感器造成涂覆材料融化、焊點(diǎn)開化、彈性體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生結(jié)構(gòu)變化等問題；粉塵、潮濕對稱重傳感器造成短路的影響；在腐蝕性較高的環(huán)境下會造成稱重傳感器彈性體受損或產(chǎn)生短路現(xiàn)象；電磁場對稱重傳感器輸出會產(chǎn)生干擾。相應(yīng)的環(huán)境因素下我們必須選擇對應(yīng)的稱重傳感器才能滿足必要的稱重要求。
四、稱重傳感器的分類
A.按受力方式分:壓式 拉式 拉壓式 梁式
B.按彈性體材料分
不銹鋼：主要應(yīng)用在食品、化工、醫(yī)藥等有腐蝕性環(huán)境的場所；
合金鋼：腐蝕性環(huán)境場所；
鋁合金：一般使用在量程小、價格低的市場。
C.按輸出數(shù)據(jù)類別分
模擬稱重傳感器：輸出為模擬信號，如：電壓信號（mV）。
數(shù)字稱重傳感器：輸出為數(shù)字信號（數(shù)字量或數(shù)字編碼），如：RS485。
D.按適用溫度分
常溫：使用在常規(guī)場所，對溫度沒有特殊要求。
高溫：使用在冶金、核電等溫度較高（一般在100℃以上）的環(huán)境。
E.按精度
可查閱GB/T7551-1997《稱重傳感器》
F. 按外型結(jié)構(gòu)分
柱式 S型 輪輻式 梁式 單點(diǎn)式等
五、稱重傳感器的基本應(yīng)用
稱重傳感器主要應(yīng)用在各種電子衡器、工業(yè)控制領(lǐng)域、在線控制、安全過載報警、材料試驗機(jī)等領(lǐng)域。如電子汽車衡、電子臺秤、電子叉車、動態(tài)軸重秤、電子吊鉤秤、電子計價秤、電子鋼材秤、電子軌道衡、料斗秤、配料秤、罐裝秤等。
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