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稱重傳感
閱讀�4171�(shí)間:2016-08-25 15:54:39

名片

  又稱稱重傳感�,實(shí)際上是一種將�(zhì)量信號轉(zhuǎn)�?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器應(yīng)先要考慮傳感器所處的�(shí)際工作環(huán)�,這點(diǎn)對正確選用稱重傳感器至關(guān)重要,它�(guān)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�。在稱重傳感器主要技�(shù)指標(biāo)的基本概念和評價(jià)方法�,新舊國�(biāo)有質(zhì)的差�。主要有S�、懸臂型、輪輻式、板�(huán)�、膜盒式、橋式、柱筒式等幾種樣��

基本簡介

  舊國�(biāo)將應(yīng)用對象和使用�(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測力”兩種傳感器合二為一來考慮,對試驗(yàn)和評�(jià)方法未給予區(qū)�。舊國標(biāo)共有21�(xiàng)指標(biāo),均在常溫下�(jìn)行試�(yàn);并用非線�、滯后誤差、重�(fù)性誤�、蠕變、零�(diǎn)溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差6�(xiàng)指標(biāo)中的誤差,來確定稱重傳感器準(zhǔn)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(jì)量的輸出信號??紤]到不同使用地�(diǎn)的重力加速度和空氣浮力對�(zhuǎn)換的影響,稱重傳感器的性能指標(biāo)主要有線性誤�、滯后誤�、重�(fù)性誤�、蠕�、零�(diǎn)溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計(jì)量系�(tǒng)�,通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器�(zhǔn)確度,并將綜合誤差帶與衡器誤差帶(�1)�(lián)系起�,以便選用對�(yīng)于某一�(zhǔn)確度衡器的稱重傳感器。國際法制計(jì)量組�(OIML)�(guī)�,傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ�70%,稱重傳感器的線性誤�、滯后誤差以及在�(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(jì)量總誤差的各個分量�(jìn)行調(diào)整,從而獲得期望的�(zhǔn)確度

分類

  稱重傳感器按�(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�8�,以電阻�(yīng)變式使用最��

  光電�

  包括光柵式和碼盤式兩��

  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�,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�(jì)算出移過的莫爾條紋數(shù)�,測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小,從而確定和讀出被測物�(zhì)��

  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)�(shí),碼盤也隨之�(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并�(zhuǎn)換成電信�,然后由電路�(jìn)行數(shù)字處�,在顯示器上顯示出代表被測質(zhì)量的�(shù)字。光電式傳感器曾主要用在�(jī)電結(jié)合秤��

  液壓�

  如圖4所�,在受被測物重力P作用�(shí),液壓油的壓力增�,增大的程度與P成正�。測出壓力的增大�,即可確定被測物的質(zhì)�。液壓式傳感器結(jié)�(gòu)簡單而牢�,測量范圍大,但�(zhǔn)確度一般不超過1/100�

  電容�

  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�(guān)系工�(�6 )。極板有兩塊,一塊固定不�,另一塊可移動。在承重臺加載被測物�(shí),板簧撓�,兩極板之間的距離發(fā)生變�,電路的振蕩頻率也隨之變�。測出頻率的變化即可求出承重臺上被測物的�(zhì)�。電容式傳感器耗電量少,造價(jià)�,準(zhǔn)確度�1/200�1/500�

主要�(yōu)�(diǎn)

  電阻、電感和電容是電子技�(shù)中的三大類無源元件,電容式傳感器是將被測量的變化�(zhuǎn)換成電容量變化的傳感�,它�(shí)�(zhì)上就是一個具有可變參�(shù)的電容器�

  電容式傳感器具有下列�(yōu)�(diǎn)�

  高阻�,小功率,僅需很低的輸入能量�

  可獲得較大的變化�,從而具有較高的信噪比和系統(tǒng)�(wěn)定性�

  動態(tài)響應(yīng)�,工作頻率可�(dá)幾兆赫,稠b接觸測量,被測物是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可�

  �(jié)�(gòu)簡單.適�(yīng)性強(qiáng),可在高低溫、強(qiáng)輻射等惡劣的�(huán)境下工作,應(yīng)用較廣�

  隨著電子技�(shù)及計(jì)算機(jī)技�(shù)的發(fā)�,電容式傳感器所存在的易受干擾和易受分布電容影響等缺�(diǎn)不斷得以克服,而且還開�(fā)出容柵位移傳感器和集成電容式傳感器:因此它在非電量測量和自動檢測中得到廣泛應(yīng)用,可測量壓力、位�、轉(zhuǎn)�、加速度、A度、厚�、液位、濕�、振動、成分含量等參數(shù)。電容式傳感器有著很好的�(fā)展前景�

  主要缺點(diǎn)缺點(diǎn)一:輸出阻抗高,負(fù)載能力差

  缺點(diǎn)二:輸出特性非線�

  缺點(diǎn)三:寄生電容影響�

  電磁力式

  它利用承重臺上的�(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作(�5)。當(dāng)承重臺上放有被測物時(shí),杠桿的一端向上傾斜;光電件檢測出傾斜度信�,經(jīng)放大后流入線圈,�(chǎn)生電磁力,使杠桿恢復(fù)至平衡狀�(tài)。對�(chǎn)生電磁平衡力的電流�(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換,即可確定被測物質(zhì)�。電磁力式傳感器�(zhǔn)確度高,可達(dá)1/2000�1/60000,但稱量范圍僅在幾十毫克�10千克之間�

  磁極變形�

  如圖7所�,鐵磁元件在被測物重力作用下�(fā)生機(jī)械變形時(shí),內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起�(dǎo)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�。測量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力,�(jìn)而確定被測物的質(zhì)�。磁極變形式傳感器的�(zhǔn)確度不高,一般為1/100,適用于大噸位稱量工�,稱量范圍為幾十至幾萬千克�

  振動�

  彈性元件受力后,其固有振動頻率與作用力的平方根成正�。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,�(jìn)而求出其�(zhì)�。振動式傳感器有振弦式和音叉式兩��

  振弦式傳感器的彈性元件是弦絲。當(dāng)承重臺上加有被測物時(shí),V形弦絲的交點(diǎn)被拉向下,且左弦的拉力增�,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�,即可求出被測物的質(zhì)�。振弦式傳感器的�(zhǔn)確度較高,可�(dá)1/1000�1/10000,稱量范圍為100克至幾百千克,但�(jié)�(gòu)�(fù)�,加工難度大,造價(jià)��

  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�。當(dāng)承重臺上加有被測物時(shí),音叉拉伸方向受力而固有頻率增�,增加的程度與施加力的平方根成正�。測出固有頻率的變化,即可求出重物施加于音叉上的�,�(jìn)而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小,計(jì)量準(zhǔn)確度高達(dá)1/10000�1/200000,稱量范圍為500g�10kg�

  陀螺儀�

  如圖10所�,轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中,以角速度ω繞X軸穩(wěn)定旋�(zhuǎn)。內(nèi)框架�(jīng)軸承與外框架�(lián)�,并可繞水平� Y 傾斜�(zhuǎn)�。外框架�(jīng)萬向�(lián)軸節(jié)與機(jī)座聯(lián)�,并可繞垂直軸Z 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸 (X�)在未受外力作用時(shí)保持水平狀�(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用�(shí),產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z �(zhuǎn)動(�(jìn)動)。�(jìn)動角速度ω與外力P/2成正比,通過檢測頻率的方法測出�,即可求出外力大�,�(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)��

  陀螺儀式傳感器響應(yīng)�(shí)間快(5�),無滯后�(xiàn)�,溫度特性好�3ppm�� 振動影響小, 頻率測量�(zhǔn)確精度高,故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計(jì)量準(zhǔn)確度(1/30000�1/60000)�

  電阻�(yīng)變式

  利用電阻�(yīng)變片變形�(shí)其電阻也隨之改變的原理工作(�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�

  板環(huán)�

  板環(huán)式稱重傳感器的結(jié)�(gòu)具有明確的應(yīng)力流線分�、輸出靈敏度高、彈性體為一整體、結(jié)�(gòu)簡單、受力狀�(tài)�(wěn)�、易于加工等�(yōu)�(diǎn)。目前在傳感器生�(chǎn)中還占著較大的比�,而對這種�(jié)�(gòu)傳感器的�(shè)�(jì)公式目前還不很完�。因這種彈性體的應(yīng)變計(jì)算比較復(fù)�,通常在設(shè)�(jì)�(shí)把它看作為圓�(huán)式彈性體�(jìn)行估�。特別是�1t及以下量程的板環(huán)式傳感器�(shè)�(jì)�(jì)算誤差更�,同時(shí)往往還會出現(xiàn)較大的非線性誤差�

  板環(huán)式稱重傳感器用途與特點(diǎn):結(jié)�(gòu)緊湊、防�(hù)性能好。精度高、長期穩(wěn)定性好。適用于吊鉤�、機(jī)電結(jié)合秤及其它力值的�

  �(shù)字式

  定義

  �(shù)字稱重傳感器是一種能將重力轉(zhuǎn)�?yōu)殡娦盘柕�?電轉(zhuǎn)換裝�,它主要是指集電阻應(yīng)變式稱重傳感�、電子放大器(英文簡稱AMC)、模�(shù)�(zhuǎn)換技�(shù)(英文簡稱ADC�、微處理器(簡稱MCU)于一體的新型傳感��

特點(diǎn)和應(yīng)�

  �(shù)字稱重傳感器和數(shù)字計(jì)量儀表技�(shù)的發(fā)展已逐漸成為稱重技�(shù)�(lǐng)域的新寵,其以調(diào)試簡便高�、適�(yīng)�(xiàn)場能力強(qiáng)等優(yōu)勢正在該�(lǐng)域嶄露頭��

  型定�

  型稱重傳感器如圖所示是傳感器中最為常見的一種傳感器,主要用于測固體間的拉力和壓力,通用也人們也稱之為拉壓力傳感�,因?yàn)樗耐庑蜗馭形狀,所以習(xí)慣上也稱S型稱重傳感器,此傳感器采用合金鋼材質(zhì),膠密封防護(hù)處理,安裝容易,使用方便,適用于吊秤,配料秤,機(jī)改秤等電子測力稱重系�(tǒng)�

  �(gòu)�

  、敏感元�

  直接感受被測�(�(zhì)�)并輸出與被測量有確定�(guān)系的其他量的元件。如電阻�(yīng)變式稱重傳感器的彈性體,是將被測物體的�(zhì)量轉(zhuǎn)�?yōu)樾巫?電容式稱重傳感器的彈性體將被測的�(zhì)量轉(zhuǎn)�?yōu)槲灰�?/FONT>

  、變換元�

  又稱傳感元件,是將敏感元件的輸出�(zhuǎn)�?yōu)楸阌跍y量的信號。如電阻�(yīng)變式稱重傳感器的電阻�(yīng)變計(jì)(或稱電阻�(yīng)變片),將彈性體的形變轉(zhuǎn)換為電阻量的變化;電容式稱重傳感器的電容器,將彈性體的位移轉(zhuǎn)�?yōu)殡娙萘康淖兓?。有�(shí)某些元件兼有敏感元件和變換元件兩者的職能。如電壓式稱重傳感器的壓電材料,在外載荷的作用下,在�(fā)生變形的同時(shí)輸出電量�

  、測量元�

  將變換元件的輸出變換為電信號,為�(jìn)一步傳輸、處�、顯�、記錄或控制提供方便。如電阻�(yīng)變式稱重傳感器中的電橋電�,壓電式稱重傳感器的電荷前置放大器�

  、輔助電�

  為傳感器的電信號輸出提供能量。一般稱重傳感器均需外鏈電源才能工作。因�,作為一個產(chǎn)品必須標(biāo)明供電的要求,但不作為稱重傳感器的組成部�。有些傳感器,如磁電式速度傳感器,由于他輸出的能量較大,故不需要輔助電源也能正常工�。所以并非所有傳感器都要有輔助電源�

原理

  電阻�(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理:彈性體(彈性元�,敏感梁)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形,使粘貼在它表面的電阻�(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變�,電阻應(yīng)變片變形�,它的阻值將�(fā)生變化(增大或減小),再�(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化�(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�(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述�

  稱重傳感�

  稱重傳感�

  一、電阻應(yīng)變片

  電阻�(yīng)變片是把一根電阻絲�(jī)械的分布在一塊有�(jī)材料制成的基底上,即成為一片應(yīng)變片。他的一個重要參�(shù)是靈敏系�(shù)K。我們來介紹一下它的意��

  �(shè)有一個金屬電阻絲,其長度為L,橫截面是半徑為r的圓�,其面積記作S,其電阻率記作�,這種材料的泊松系�(shù)是�。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí),它的電阻值為R�

  ρL/S(Ω) �2�1�

  �(dāng)他的兩端受F力作用時(shí),將會伸�,也就是說產(chǎn)生變彀設(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�,還可用�(shí)�(yàn)證明,此金屬電阻絲在變形�,電阻率也會有所改變,記作Δρ�

  對式�2--1)求全微�,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�

  ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L � ΔS/S �2�3�

  另外,我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = πr2,則 Δs = 2πr*Δr,所�

  ΔS/S = 2Δr/r �2�4�

  從材料力�(xué)我們知�

  Δr/r = -μΔL/L �2�5�

  其中,負(fù)號表示伸長時(shí),半徑方向是縮小�。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 + 2μΔ

 ?�? + 2μ(Δ�/ρ�/(ΔL/L))*Δ

  ΔL/L �2--6�

  其中

  μ +(Δ�/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�(guān)��

  需要說明的是:靈敏度系�(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�(shù),它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無�(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�,即它沒有量��

  在材料力�(xué)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�

  常常把它的百萬分之一作為單位,記作μ�。這樣,式�2--6)常寫作�

  ΔR/R = Kε (2�

  �、彈性體

  彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)�(gòu)�。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�(chǎn)生反作用力,�(dá)到相對靜平衡;其次,它要�(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�(zhuǎn)換任�(wù)�

  以稱重傳感器的彈性體為例,來介紹一下其中的�(yīng)力分布�

  �(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂��

  肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力,但其�、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主�(yīng)力方向一為拉�,一為壓縮,若把�(yīng)變片貼在這里,則�(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增�,而應(yīng)變片的下半部將受壓縮,阻值減�。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表�(dá)�,而不再推�(dǎo)�

  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--�(yáng)氏模量:μ—泊松系�(shù);B、b、H、h—為梁的幾何尺寸�

  需要說明的�,上面分析的�(yīng)力狀�(tài)均是“局部”情�,而應(yīng)變片�(shí)際感受的是“平均”狀�(tài)�

  三、檢測電�

  檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)�?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)�(diǎn),如可以抑制溫度變化的影�,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�(bǔ)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)��

  �?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度,各臂參�(shù)一�,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�

安裝注意事項(xiàng)

 

  稱重傳感器要輕拿輕放,尤其對于用合金鋁材料作為彈性體的小容量傳感器,任何振動造成的沖擊或者跌�,都很有可能造成很大的輸出誤��

  �(shè)�(jì)加載裝置及安裝時(shí)�(yīng)保證加載力的作用稱重傳感器受力軸線重�,使傾斜�(fù)荷和偏心�(fù)荷的影響減至最��

  在水平調(diào)整方�。如果使用的是稱重傳感器的話,其底座的安裝平面要使用水平儀�(diào)整直到水�;如果是多個傳感器同時(shí)測量的情況,那么它們底座的安裝面要盡量保持在一個水平面�,這樣做的目的主要是為了保證每個傳感器所承受的力量基本一致�

  按照其說明中稱重傳感器的量程選定來確定所用傳感器的額定載��

  為防止化�(xué)腐蝕.安裝時(shí)宜用凡士林涂稱重傳感器外表面。應(yīng)避免陽光直曬和環(huán)境溫度劇變的場臺使用�

  在稱重傳感器加載裝置兩端加接銅編織線做的旁路��

  電纜線不宜自行加�,在確實(shí)需加長�(shí)�(yīng)在接頭處錫焊,并加防潮密封膠�

  在稱重傳感器周圍采用一些擋板把傳感器罩起來。這樣做的目的可防止雜物掉�(jìn)傳感器的�(yùn)動部分,影響其測量精��

  傳感器的電纜線應(yīng)�(yuǎn)離強(qiáng)動力電源線或有脈沖波的場所,無法避競時(shí)�(yīng)把稱重傳感器的電纜線單獨(dú)穿入鐵管�(nèi),并盡量縮短連接距離�

  按其說明中的稱重傳感器量程選定來確定所用傳感器的額定載�,稱重傳感器雖然本身具備一定的過載能力,但在安裝和使用過程中應(yīng)盡量避免此種情況。有�(shí)短時(shí)間的超載,也可能會造成傳感器損壞�

  在高度精度使用場�,應(yīng)�/稱重傳感器和儀表在�(yù)�30分鐘后使用�