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    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換成可計量的輸出信號,是在考慮到使用地點的重力加速度(g)和空氣浮力(f)的影響后,通過把其中一種被測量(質量)轉換成另外一種被測量(輸出)來測量質量的力的傳感器。
      二、電阻應變式稱重傳感器的基本原理
      電阻應變式稱重傳感器主要由彈性元件、電阻應變片、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)在外力作用下產生彈性變形,使粘貼在其表面的電阻應變片(轉換元件)同時產生變形。電阻應變片變形后,其阻值將發生變化(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,從而完成了將外力變換為電信號的過程。
      1、電阻應變片
      電阻應變片是把一根電阻絲機械地分布在一塊有機材料制成的基底上。電阻應變片的一個重要參數是靈敏系數K。當其兩端受F力作用時,將會伸長,也就是說產生變形。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)之間成比例的關系。
      需要說明的是:靈敏度系數K是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數,與應變片的形狀、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,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。
      2、彈性體
      彈性體是一個有特殊形狀的結構件。其功能有兩個,首先是承受稱重傳感器所受的外力,對外力產生反作用力,達到相對靜平衡;其次是提供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地完成電信號的轉換任務。
      3、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確度和穩定性。在設計電子衡器時,經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量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。傳感器所處的實際工作環境,正確選用傳感器至關重要,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。
      稱重傳感器在選用時要考慮到很多因素,實際的使用當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、最小檢定分度值等也是傳感器選用中必須考慮的指標。
      1. 稱重傳感器的數量和量程
    傳感器量程的選擇可依據秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體的自重、可能產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。
      下面給出一個經過大量實驗驗證的經驗公式。
      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的數量
      K0一保險系數,一般取1.2~1.3之間
      K1一沖擊系數
      K2一秤體的重心偏移系數
      K3一風壓系數
      根據經驗,一般應使稱重傳感器在其30%~70%量程內工作。但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的衡器,如動態軌道衡、動態汽車衡、鋼材秤等,在選用稱重傳感器時,一般要擴大其量程,使稱重傳感器在其量程的20%~30%之內工作,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。制造廠一般會根據稱重傳感器的受力情況、性能指標、安裝形式、結構型式、彈性體的材質等特點規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、動態軌道衡、大噸位料斗秤等。
      2.稱重傳感器的準確度等級選擇
      稱重傳感器的準確度等級包括稱重傳感器的非線性、蠕變、重復性、滯后、靈敏度等技術指標。在選用的時候不應該盲目追求高等級的稱重傳感器,應該考慮電子衡的準確度等級和成本。一般情況下,選用稱重傳感器的總精度為非線性、不重復性和滯后三項指標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,滿足整臺電子秤準確度的要求。一臺電子秤主要是由機械機構、稱重傳感器、儀表三部分組成,在對稱重傳感器準確度選擇的時候,應使稱重傳感器的準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,如機械結構的強度、儀表的性能、秤的工作環境惡劣程度等因素都直接影響到秤的準確度。因此要從各方面提高要求,兼顧經濟效益,確保達到目的。
      4.使用環境
      一般情況下,高溫環境對稱重傳感器造成涂覆材料融化、焊點開化、彈性體內應力發生結構變化等問題;粉塵、潮濕對稱重傳感器造成短路的影響;在腐蝕性較高的環境下會造成稱重傳感器彈性體受損或產生短路現象;電磁場對稱重傳感器輸出會產生干擾。相應的環境因素下我們必須選擇對應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:主要應用在食品、化工、醫藥等有腐蝕性環境的場所;
      合金鋼:腐蝕性環境場所;
      鋁合金:一般使用在量程小、價格低的市場。
      C.按輸出數據類別分
      模擬稱重傳感器:輸出為模擬信號,如:電壓信號(mV)。
      數字稱重傳感器:輸出為數字信號(數字量或數字編碼),如:RS485。
      D.按適用溫度分
      常溫:使用在常規場所,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)的環境。
      E.按精度
      可查閱GB/T7551-1997《稱重傳感器》
      F. 按外型結構分
      柱式 S型 輪輻式 梁式 單點式等
      五、稱重傳感器的基本應用
      稱重傳感器主要應用在各種電子衡器、工業控制領域、在線控制、安全過載報警、材料試驗機等領域。如電子汽車衡、電子臺秤、電子叉車、動態軸重秤、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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