簡介

　　傳統(tǒng)概念上，負荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統(tǒng)稱，用單項參數(shù)評價它的計量特性。舊國標將應(yīng)用對象和使用環(huán)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量計量系統(tǒng)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（圖1）起來，以便選用對應(yīng)于某一準確度衡器的稱重傳感器。法制計量組織（OIML）規(guī)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(guī)定溫度范圍內(nèi)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(gòu)成計量總誤差的各個分量進行調(diào)整，從而獲得期望的準確度。

分類

　　稱重傳感器按轉(zhuǎn)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(yīng)變式等8類，以電阻應(yīng)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(zhuǎn)換成光電信號（圖2）。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(tǒng)使表盤軸旋轉(zhuǎn)，帶動移動光柵轉(zhuǎn)動，使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計算出移過的莫爾條紋數(shù)量，測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小，從而確定和讀出被測物質(zhì)量。　　碼盤式傳感器（圖3）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(zhuǎn)時，碼盤也隨之轉(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后由電路進行數(shù)字處理，zui后在顯示器上顯示出代表被測質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機電結(jié)合秤上。

液壓式傳感器

　　如圖4所示，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(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)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（圖5）。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(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測物質(zhì)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(guān)系工作（圖6 ）。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(fā)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(zhì)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

　　如圖7所示，鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機械變形時，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起導磁率變化，使繞在鐵磁元件（磁極）兩側(cè)的次級線圈的感應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(fā)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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

　　如圖10所示，轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中，以角速度ω繞X軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。內(nèi)框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接，并可繞水平軸 Y 傾斜轉(zhuǎn)動。外框架經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機座聯(lián)接，并可繞垂直軸Z 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸 （X軸）在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力（P/2）作用時，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z 轉(zhuǎn)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(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。　　陀螺儀式傳感器響應(yīng)時間快（5秒），無滯后現(xiàn)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(yīng)變式稱重傳感器

　　利用電阻應(yīng)變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作（圖11）。主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應(yīng)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(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物的質(zhì)量。　　電阻應(yīng)變式傳感器的稱量范圍為幾十克至數(shù)百噸，計量準確度達1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。　　電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理　　　　電阻應(yīng)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(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(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（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(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)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(yīng)變片　　電阻應(yīng)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(yīng)變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。　　設(shè)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(shù)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(chǎn)生變形。設(shè)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(yīng)泊松系數(shù)。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(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）之間的關(guān)系。　　　需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù)，它和應(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，即它沒有量綱。　　在材料力學中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。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(jié)構(gòu)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(chǎn)生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。　　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(yīng)力分布。　　設(shè)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(yīng)力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)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(yīng)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(shù)；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。　　需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。　　三、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，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zui高，各臂參數(shù)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(yīng)變式稱重傳感器的工作過程　在測量過程中，重量加載到稱重傳感器的彈性體上會引起塑性變形。　　應(yīng)變 （正向和負向） 通過安裝在彈性體上的應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電子信號。zui簡單的彎曲梁稱重傳感器只有一個應(yīng)變片。通常，彈性體和應(yīng)變片通過多種方式來結(jié)合，例如，外殼，密封部件等來保護應(yīng)變片。

稱重傳感器的選擇：

TR系列

　　TR 系列（GEFRAN）稱重傳感器用于測量在機械引導滾筒上的上經(jīng)常用來纏繞用的張力塑料膜或膠帶的張力。它可以安裝在機械底盤上的固定和傳送軸上，它對末端軸所起到的作用是一個壓力敏感元件和負載的功能。它可以用于固定和旋轉(zhuǎn)兩種軸上。TR 系列傳感器可與固定的，4 M6 螺紋或中心螺紋是與M10或M12 的適配法蘭一起供貨。　　主要特征：　　?? 測量范圍為從 100N 到 2KN　　?? 精度等級：0.5%　　?? 抗腐蝕　　?? 內(nèi)部形成的校準信號　　?? zui小靈敏度軸線方向是從固定孔開始的35 度。　　?? 保護等級：IP65（DIN40050）　　?? 形成過載保護

TC系列

　　TC 系列負載單元是張力測量傳感器，它常用于靜態(tài)測量和動態(tài)測量，壓縮形式，具有較好的精度。它的機械部分是由一整塊的金屬部分組成，所以這個基本的測量元件和它的外殼部分沒有焊接過程，從而使尺寸更小，并且加強了保護等級，這種點部測量的結(jié)構(gòu)，具有8 個張力測量，減少因負載的不完善的應(yīng)用帶來的誤差。并聯(lián)的稱重元件的典型應(yīng)用是：貯藏箱、加料斗、大的稱重平臺。不銹鋼結(jié)構(gòu)適合于石油化學和化學工業(yè)中攻擊性環(huán)境的應(yīng)用。　　主要特征：　　?? 測量范圍為從 100 到 20.000Kg　　?? 精度等級：0.2%　　?? 全部不銹鋼結(jié)構(gòu)　　?? 抗腐蝕　　?? 內(nèi)部形成的校準信號　　?? 保護等級：IP67（DIN40050）

TU系列

　　TU 系列負載單元是張力測量傳感器，它常用于靜態(tài)測量和動態(tài)測量，壓縮形式，具有較好的精度。所有變送器的每個負載單元質(zhì)塊（Kg）經(jīng)過校準。TU 系列準負載從50Kg 到1 噸的均可供貨。這種型號具有IP67 的保護等級，所以它可以用來使用到一些具有危險的化學工業(yè)中，它的機械部分是由一整塊的金屬部分組成，所以沒有焊接過程。這意味著它可以高度防止機械沖擊和振動。這種致密的尺寸意味著這些單元可以使它放置在難于進入和空間較小的位置。　　主要特征：　　?? 測量范圍為從 50 到 1000Kg　　?? 精度等級：0.2%　　?? 全部不銹鋼結(jié)構(gòu)　　?? 抗腐蝕　　?? 保護等級：IP67（DIN40050）　　?? 壓縮尺寸

稱重傳感器的儀表應(yīng)用

　　稱重儀表也叫稱重顯示控制儀表，是將稱重傳感器信號（或再通過重量變送器）轉(zhuǎn)換為重量數(shù)字顯示，并可對重量數(shù)據(jù)進行儲存、統(tǒng)計、打印的電子設(shè)備，常用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的自動化配料，稱重，以提高生產(chǎn)效率。　　在工企業(yè)中應(yīng)用的稱重儀表性能指標通常用度（又稱精度）、變差、敏銳度來形貌。儀表工校驗儀表通常也是調(diào)校度，變差和敏銳度三項。　　1.變差是指稱重儀表被測變量（可明白為輸入信號）多次從差異偏向到達同一數(shù)值時，儀表指示值之間的zui大差值，大概說是儀表在外界條件穩(wěn)固的環(huán)境下，被測參數(shù)由小到大變革（正向特性）和被測參數(shù)由大到小變革（反向特性）不劃一的程度，兩者之差即為儀表變差。可靠性 稱重控制儀表可靠性是化工企業(yè)儀表工所尋求的另一緊張性能指標。可靠性和儀表維護量是相反相成的，儀表可靠性高闡明儀表維護量小，反之儀表可靠性差，儀表維護量就大。對付化工企業(yè)檢測與進程控制儀表，大部門安置在工藝管道、種種塔、釜、罐、器上.　　2.稱重儀表在稱重傳感器中的穩(wěn)固性 在劃定事情條件內(nèi)，稱重儀表某些性能隨時間連結(jié)穩(wěn)固的本領(lǐng)稱為穩(wěn)固性（度）。儀表穩(wěn)固性是化工企業(yè)儀表工非常體貼的一天性能指標。由于化工企業(yè)利用儀表的環(huán)境相比擬力惡劣，被測量的介質(zhì)溫度、壓力變革也相比擬力大，在這種環(huán)境中投入儀表利用，儀表的某些部件隨時間連結(jié)穩(wěn)固的本領(lǐng)會低沉，儀表的穩(wěn)固性會降落。徇或表征儀表穩(wěn)固性現(xiàn)在尚未有定量值，化工企業(yè)通常用儀表零漂移來衡量儀表的穩(wěn)固性。稱重儀表穩(wěn)固性的優(yōu)劣直接干系到儀表的利用范疇，偶然直接影響化工生產(chǎn)，穩(wěn)固性不好造成的影響每每雙儀表精度降落對化工生產(chǎn)的影響還要大。穩(wěn)固性不好儀表維護量也大，是儀表工zui不盼望出現(xiàn)的事情。　　3.稱重儀表的 敏銳度偶然也稱"放大比"，也是儀表靜特性貼切線上各點的斜率。增長放大倍數(shù)可以提高儀表敏銳度，單純加大敏銳度并不變化儀表的基天性能，即稱重儀表精度并沒有提高，相反偶然會出現(xiàn)振蕩征象，造成輸出不穩(wěn)固。儀表敏銳度應(yīng)連結(jié)恰當?shù)牧俊?div id="rzg4sx4" class="spctrl">