压力称重荷重传感器的知识详细概述

　　荷重传感器的原理是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，称重测力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%，称重传感器使用知识的线性误差、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。这就允许传感器厂家对构成计量总误差的各个分量进行调整，从而获得期望的荷重准确度。

　　荷重传感器按转换工作原理分类为电磁力式、光电式、液压式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等8类传感器，以电阻应变式使用最广。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。本文介绍荷重传感器的工作原理和使用注意事项等知识。

　　电阻应变式荷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，使粘贴在他表面的电阻应变片(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荷重传感器工作原理。

　　称重传感器原理图
 

 

　　1、荷重传感器弹性体的原理

　　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。

　　以托利多公司的SB系列荷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。

　　2、传感器电阻应变片

　　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)

　　3、检测电路原理

　　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荷重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在中得到了广泛的传感器应用。

　　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，所以荷重传感器均采用全桥式等臂电桥。

　　其实称重传感器原理上就是压力传感器，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。

　　荷重传感器的使用知识

　　随着技术的进步,由荷重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了荷重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

　　本系统由微机控制称重传感器的称重和比较，并输出控制信号，执行定值称量，控制外部给料系统的运转，实行自动称量和快速分装的任务。

　　系统采用MCS-51单片机和V/F电压频率变换器等电子器件，其硬件电路框图如图1所示，用8031作为中央处理器，BCD拔码盘作为定值设定输入器，物料装在料斗里，其重量使传感器弹性体发生变形，输出与重量成正比的电信号，传感器输出信号经称重变送器放大后，输入V/F转换器进行A/D转换，变送成的频率信号直接送入8031微处理器中，其数字量由微机进行处理。微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路，显示出瞬时物重，另一方面则进行称重比较，开启和关闭加料口和称重变送器，放料于箱中等一系列的称重定值控制。

　　传统概念上，负荷传感器是荷重传感器、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。