称重传感器原理

称重传感器原理

在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。

传统概念上，负荷传感器是称重传感器、测力传感器的统称，用单项参数评价它的计量特性。旧国标将应用对象和使用环境条件完全不同的“称重”和“测力”两种传感器合二为一来考虑，对试验和评价方法未给予区分。旧国标共有21项指标，均在常温下进行试验；并用非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差6项指标中的最大误差，来确定称重传感器准确度等级，分别用0.02、0.03、0.05......1.0表示。

衡器上使用的一种力传感器。它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用综合误差带来综合控制传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带(图1)联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定，传感器的误差带δ占衡器误差带Δ的70％，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ。这就允许制造厂对构成计量总误差的各个分量进行调整，从而获得期望的准确度。

       称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等8类，以电阻应变式使用最广。
　　光电式传感器 　包括光栅式和码盘式两种。
　　光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号（图2）。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。



　　码盘式传感器（图3）的码盘（符号板）是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。



　　液压式传感器 　如图4所示，在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。



　　电磁力式传感器　它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作（图5）。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达 1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。



　　电容式传感器 　它利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d 的正比例关系工作(图6 )。极板有两块，一块固定不动，另一块可移动。在承重台加载被测物时，板簧挠曲，两极板之间的距离发生变化，电路的振荡频率也随之变化。测出频率的变化即可求出承重台上被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/200～1/500。



　　磁极变形式传感器　如图7所示，铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形时，内部产生应力并引起导磁率变化，使绕在铁磁元件（磁极）两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力，进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。



　　振动式传感器 弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。
　　振弦式传感器（图8 ）的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达1/1000～1/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。



　　音叉式传感器(图9 )的弹性元件是音叉。音叉端部固定有压电元件，它以音叉的固有频率振荡，并可测出振荡频率。当承重台上加有被测物时，音叉拉伸方向受力而固有频率增加，增加的程度与施加力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出重物施加于音叉上的力，进而求出重物质量。音叉式传感器耗电量小，计量准确度高达 1/10000～1/200000，称量范围为500g～10kg。



　　陀螺仪式传感器 　如图10所示，转子装在内框架中，以角速度ω绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴 Y 倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z 旋转。转子轴 (X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动（进动）。进动角速度ω与外力P/2成正比，通过检测频率的方法测出ω，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。



　　陀螺仪式传感器响应时间快(5秒)，无滞后现象，温度特性好（3ppm）， 振动影响小， 频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/30000～1/60000)。
　　电阻应变式传感器　利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作（图11）。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。



　　电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。

其实称重传感器就是压力传感器，形状不一样而已，通常有很多种方法传感的，但我见到，用得比较多，比如地磅用的那些，一般为电涡流式

也就是说，他有一个电涡流触发绕组，然后还有一个传感器感应电涡流强度


由于这个传感器整体是金属封装，电涡流在其内部，受到压后形变，涡流就发生变化，放大后就可以读到数据了


然后，封装这个东西的材料，通常选用刚性材料， 总之，就是一般的金属，比如钢，但肯定不会用很软的东西的。至少电涡流方式传感的压力传感器，是不会用软金属制造的。


因为即使是钢，就算受到压力形变那么几微米，那么电涡流的变化也足够感应出到底变化了多少而且如果是软金属，称很重东西的时候，可能很容易出问题。  

一、什么是传感器？

 

 

传感器是将被测的某一物理量（或信号）按一定的规律转换为与其对应的另一种（或同种）物理量（或信号）输出的装置。

 

 

被测物理量       传感器       输出物理量

 

 

二、传感器发展方向

 

 

1.    高精度、高灵敏度；

 

 

2.    高可靠性、宽温度范围、抗干扰强；

 

 

3.    微型化（小尺寸、重量轻）和高强度；

 

 

4.    微功耗及无源化；

 

 

5.    智能化、数字化、高响应速率；

 

 

6.    互换性好，成本低，安全无污染方向；

 

 

7.    抗环境影响(热、振动、酸、碱、水、空气)能力强方向

 

 

8.    仿生传感器：将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：

 

 

1) 光敏——视觉；       2) 声敏——听觉；           3) 气敏——嗅觉；   

 

 

4) 化学——味觉；       5) 压敏、温敏、流体传感器——触觉

 

 

第二节   称重传感器工作原理

 

 

一、称重传感器的基本知识

 

 

1. 定义：GB/T7551-1997《称重传感器》

    考虑到使用地点的重力加速度（g）和空气浮力（f）的影响后，通过把其中一种被测量（质量）转换成另外一种被测量（输出）来测量质量的力传感器。

 

 

被测量（质量）       称重传感器       输出

 

 

2. 组成

敏感元件+传感元件+测量电路

 

 

其中：敏感元件——电阻应变计；  传感元件——弹性体；    测量电路——惠斯通电桥

二、电阻应变计工作原理

 

 

以金属材料为转换元件的电阻应变计，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻——应变效应。

 

 

所谓应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。如下图所示：

1. 受力前（F=0）电阻值

R=ρ*L/S                          （1）

式中R——金属丝的电阻（Ω）；     ρ——金属丝的电阻率（Ω*M）；

 

 

L——金属丝的长度（m）；       S——金属丝的横截面积（m²）（πD²/4）

 

 

D——金属丝的直径（m）

 

 

2. 受力后（F＞0）电阻变化值

⊿R=R*Kε                         （2）

式中⊿R——电阻变化量；        R——原始电阻值；

K——应变计的灵敏系数；   ε——轴向应变

结论：金属丝拉伸，电阻值增加；

      金属丝压缩，电阻值减小

3. 几种常见的电阻应变计外形

4. 电阻应变计的组成部分

5. 我公司常用应变计的阻值（Ω）

350；700；1000

三、称重传感器的工作原理

 

 

1. 两个典型的力学模型

当F＞0时，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被压缩，阻值减小。

2. 惠斯顿电桥

在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。

 

 

电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当Ui为直流时该电桥为直流电桥。电桥电路如上图所示，它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成。

 

 

1) 直流电桥的电压输出

根据分压原理，从D-A-C半桥来看，从D经A到C的电压降为Ui，通过R₁、R₂的电流

I₁=Ui/（R₁+R₂）                         （1）

R2上的电压降为I₁R₂，代入（1）得

U_AC=Ui*R₂/（R₁+R₂）                    （2）

同样，D-B-C半桥的电压降也是Ui，R3上的电压降为：

U_BC=Ui*R₃/（R₃+R₄）                    （3）

则输出电压U_O是U_BC与U_AC之间的差，即

                   R₁R₃-R₂R₄

U_O=U_BC-U_AC=                  Ui       （4）

（R₁+R₂）（R₃+R₄）

由（4）可知，当桥臂电阻满足如下条件时，即

R1R3=R2R4                       （5）

电桥的输出电压U_O=0，电桥处于平衡状态。

为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（置零），这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。

2) 按上述力学模型解释：

当F=0时，R1R3=R2R4；U₀=0；

当F＞0时，R1、R3增加，R2、R4减小，U₀＞0。

若欲得到与上述电信号相反的结果时，只需将A与C（或B与D）之间的电源正、负极互换即可。

3) 当桥臂电阻的阻值发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化，当⊿R<时，其输出电压与电阻变化率⊿R/R（或应变ε）成线性关系。

本节需掌握重点：

 

 

1、应变计的工作原理；

2、电阻应变计的结构组成；

3、测量电路作业原理；

4、称重传感器的主要组成部分；

5、我公司常用电阻应变计的阻值。

第三节  称重传感器的补偿

 

 

一、常见补偿内容：

 

 

1. 零点不平衡输出调整；    

 

 

2. 零点温度补偿； 

 

 

3. 弹性模量补偿； 

 

 

4. 非线性补偿；    

 

 

5. 灵敏度补偿；   

 

 

6. 输入电阻调整；

 

 

二、补偿原理图

 

 

R₁~R₄：桥路应变计电阻；（常规为350Ω）

 

 

作用：直接感受弹性体的应变。

 

 

R_Z：零点补偿电阻；

 

 

作用：把空载输出信号调整到要求范围；

 

 

材料：康铜丝（电阻温度系数小）；

 

 

特性：对温度不敏感

 

 

R_T：零点温度补偿电阻；

 

 

作用：把空载下因环境温度的变化而引起的漂移加以补偿；

 

 

材料：镍电阻

 

 

特性：对温度敏感

 

 

R_M：弹性模量补偿电阻；

 

 

作用：补偿因环境变化造成的传感器满负荷输出的变化；

 

 

材料：镍丝、镍片电阻

 

 

特性：对温度敏感

 

 

R_M&rsquo;：弹性模量补偿线性化调整电阻；

 

 

作用：调整弹模补偿的效果；

 

 

材料：金属膜电阻；

 

 

特性：对温度不敏感

 

 

R_L：线性补偿电阻；

 

 

作用：调整传感器天然非线性误差，使呈线性；

 

 

材料：半导体应变计

 

 

特性：对温度敏感

 

 

R_L’：线性补偿调整电阻；

 

 

作用：调整线性补偿效果

 

 

材料：金属膜电阻

 

 

特性：对温度不敏感

 

 

R_S：灵敏度补偿电阻；

 

 

作用：调整传感器满负荷输出，使具有互换性；

 

 

材料：康铜丝

 

 

特性：对温度不敏感

 

 

R_j：输入电阻调整电阻

 

 

作用：调整传感器输入电阻，使具有互换性；

 

 

材料：金属膜电阻

 

 

特性：对温度不敏感

 

 

 

三、为什么要进行上述补偿？

 

 

1. 零点补偿（Rz）

 

 

有些使用场合，当传感器零点超过一定范围时，现场仪表显示异常（不接收或溢出），或者控制系统报警、失控等。

 

 

2. 零点温度补偿（Rt）

 

 

室外作业的电子衡器或其他称重检测装置，当传感器感受不同温度（如早上与中午的温差），其内部电阻值产生相应变化，最终反馈到显示或控制装置，使系统作业出现异常如数字不稳或系统零位偏差等，影响正常工作。

 

 

3. 弹性模量补偿（Rm）

 

 

弹性体金属材料自身都有弹性模量（E）且随温度的变化而产生微量变化，在同样的测量负荷下，天热时仪表显示的读数要大于天冷时的读数（称量产生了偏差）。这对于高精度计量是不允许的。

 

 

4. 非线性补偿

 

 

是针对纯柱式结构传感器先天性线性不良传感器而言，通过补偿可有效改进传感器的精度，满足高精度计量要求。

 

 

5. 灵敏度补偿

 

 

如果一张桌子有3或4条腿，当3或4条腿长度不一致时，桌子便不稳固，容易倒掉。

 

 

同样，对一台由2个以上传感器组成的电子衡器而言，若传感器的灵敏度不一致，那么这台衡器便处于非稳态，被称物品在秤台的不同方位会得到不同的结果，而最多只有一个结果是正确的。这种情况是衡器产品所不允许的，无法完成“公平交易”的目的。

 

 

6. 输入电阻调整

 

 

同灵敏度补偿情况。

 

 

本节需掌握重点：

 

 

1、称重传感器常见六大补偿

 

 

2、进行六大补偿的原因

 

 

3、灵敏度不一致可能导致的结果