称重传感器原理

      称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。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。主要有S型、悬臂型、轮辐式、板环式、膜盒式、桥式、柱筒式等几种样式。

    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表示。

柱式称重传感器

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

传感器结构图

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[1]。

主要优点

电阻、电感和电容是电子技术中的三大类无源元件，电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的传感器，它实质上就是一个具有可变参数的电容器[2]。

电容式传感器具有下列优点：

(1)高阻抗，小功率，仅需很低的输入能量。

(2)可获得较大的变化量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性。

(3)动态响应快，工作频率可达几兆赫，稠b接触测量，被测物是导体或半导体均可。

(4)结构简单．适应性强，可在高低温、强辐射等恶劣的环境下工作，应用较广。

随着电子技术及计算机技术的发展，电容式传感器所存在的易受干扰和易受分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器：因此它在非电量测量和自动检测中得到广泛应用，可测量压力、位移、转速、加速度、A度、厚度、液位、湿度、振动、成分含量等参数。电容式传感器有着很好的发展前景。

主要缺点缺点一：输出阻抗高，负载能力差

缺点二：输出特性非线性

缺点三：寄生电容影响大

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。

称重传感器

一、电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R = ρL/S（Ω） （2—1）

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

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，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr*Δr，所以

ΔS/S = 2Δr/r （2—4）

从材料力学我们知道

Δr/r = -μΔL/L （2—5）

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。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））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便

常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（2--6）常写作：

ΔR/R = Kε (2—8)

二、弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。

以称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。

肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

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--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

三、检测电路

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

安装注意事项编辑

1、称重传感器要轻拿轻放，尤其对于用合金铝材料作为弹性体的小容量传感器，任何振动造成的冲击或者跌落，都很有可能造成很大的输出误差。

2、设计加载装置及安装时应保证加载力的作用称重传感器受力轴线重合，使倾斜负荷和偏心负荷的影响减至最小。

3、在水平调整方面。如果使用的是称重传感器的话，其底座的安装平面要使用水平仪调整直到水平；如果是多个传感器同时测量的情况，那么它们底座的安装面要尽量保持在一个水平面上，这样做的目的主要是为了保证每个传感器所承受的力量基本一致。

4、按照其说明中称重传感器的量程选定来确定所用传感器的额定载荷。

5、为防止化学腐蚀．安装时宜用凡士林涂称重传感器外表面。应避免阳光直晒和环境温度剧变的场台使用。

6、在称重传感器加载装置两端加接铜编织线做的旁路器。

7、电缆线不宜自行加长，在确实需加长时应在接头处锡焊，并加防潮密封胶。

8、在称重传感器周围最好采用一些挡板把传感器罩起来。这样做的目的可防止杂物掉进传感器的运动部分，影响其测量精度。

9、传感器的电缆线应远离强动力电源线或有脉冲波的场所，无法避竞时应把称重传感器的电缆线单独穿入铁管内，并尽量缩短连接距离。

10、按其说明中的称重传感器量程选定来确定所用传感器的额定载荷，称重传感器虽然本身具备一定的过载能力，但在安装和使用过程中应尽量避免此种情况。有时短时间的超载，也可能会造成传感器永久损坏。

11、在高度精度使用场合，应使/称重传感器和仪表在预热30分钟后使用。

苏州博泰伟业科技电子有限公司专业经营电子秤、电子天平、考勤机、大华条码秤系列，更有专业的维修团队，欢迎大家前来咨询订购！

联系方式：400-606-8286     0512-66610598    68782551    18626280968

联系人：裴先生