測重傳感器,測力傳感器

更新時間：2011-12-20

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稱重傳感器（也稱測重傳感器,測力傳感器）-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。用傳感器首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。

    簡介

    傳統概念上，負荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統稱，用單項參數評價它的計量特性。舊國標將應用對象和使用環境條件*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zui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。
    　
    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定比例轉換成可計量的輸出信號。考慮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起來，以便選用對應于某一準確度衡器的稱重傳感器。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。

    分類
    　　
    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zui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換成光電信號。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，zui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。

    液壓式傳感器

    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。

    電磁力式傳感器
    　　
    它利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡的原理工作。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。

    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 的正比例關系工作。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。

    磁極變形式傳感器

    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。

    陀螺儀式傳感器

    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）。

    電阻應變式傳感器

    利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。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。電阻應變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應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。電信號經處理后以數字形式顯示出被測物的質量。
    　
    電阻應變式傳感器的稱量范圍為300g至數千kg，計量準確度達1/1000～1/10000，結構較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。

    工作原理

    以電阻應變式為例
    　　
    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，使粘貼在他表面的電阻應變片（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（增大或減小），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*的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。　

    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zui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。

    電阻應變式稱重傳感器（HDW110B橋式）
    產品特點及結構
    傳感器彈性體采用合金鋼材質；膠密封或焊接密封處理，表面鍍鎳，防水，防腐蝕，防護等級達到IP66 & IP68。
    產品用途
    主要適用于工業過程力的控制、配料控制系統及檢測設備等各種稱重測力設備。
    主要技術參數
    額定載荷（t）: 10、20、25、30
    精度等級: C2、C3
    絕緣電阻（MΩ）: ≥5000（100VDC）
    綜合誤差（%F.S）: 0.02
    激勵電壓（V）: 9～12 （DC）
    靈敏度（mV/V）: 2.0±0.02
    溫度補償范圍（℃）: -10 ～ +40
    非線性（%F.S）: 0.017
    使用溫度范圍（℃）: -20 ～ +55
    滯后（%F.S）: 0.02
    零點溫度影響（%F.S/10℃）: 0.017
    重復性（%F.S）: 0.01
    靈敏度溫度影響（%F.S/10℃）: 0.014
    蠕變（%F.S/30min）: 0.02
    安全過載范圍（%F.S）: 150
    零點輸出（%F.S）: ±1
    極限過載范圍（%F.S） 200
    輸入阻抗（Ω）: 700±3
    防護等級: 膠封IP67,焊接密封IP68
    輸出阻抗（Ω）: 700±3 電纜線四芯屏蔽電纜Φ6×12m
    接線方法: 輸入（電源） + ：紅色；輸入（電源） - ：黑色；輸出（信號） + ：綠色；輸出（信號） - ：白色

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