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称重传感器原理


  一、称重传感器的定义
  称重传感器是指电子衡器上使用的一种力传感器,能将作用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,是在考虑到使用地点的重力加速度(g)和空气浮力(f)的影响后,通过把其中一种被测量(质量)转换成另外一种被测量(输出)来测量质量的力的传感器。
  二、电阻应变式称重传感器的基本原理
  电阻应变式称重传感器主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆四部分组成。称重传感器的弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使?#31243;?#22312;其表面的电阻应变片(转换元件)同时产生变形。电阻应变片变形后,其阻值将发生变化(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,从而完成了将外力变换为电信号的过程。
  1、电阻应变片
  电阻应变片是把一根电阻丝机械地分布在一块有机材料制成的基底上。电阻应变片的一个重要?#38382;?#26159;灵敏系数K。当其两端受F力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。伸长时,其横截面积则缩小,截面圆半径则减少。电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻?#21487;?#38271;率(长度相对变化)之间成比例的关系。
  需要说明的是:灵敏度系数K是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,与应变片的形状、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,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?#31181;?#19968;作为单位,记作με。
  2、弹性体
  弹性体是一个有特殊形状的结构件。其功能有两个,首先是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;其次是提供一个高品质的应变场(区),使?#31243;?#22312;此区的电阻应变片比较理想地完成电信号的转换任务。
  3、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?#31181;?#28201;度变化的影响,可以?#31181;?#20391;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?#38382;?#19968;致,各?#25351;?#25200;的影响容易相互抵消,所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
  三、如何选用称重传感器
  称重传感器被喻为电子衡器的心脏,它的性能在很大程度上决定了电子衡器的准确度和稳定性。在设计电子衡器时,经常要遇到如何选用传感器的问题。
  称重传感器?#23548;?#19978;是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。传感器所处的?#23548;使?#20316;环?#24120;?#27491;确选用传感器至关重要,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。
  称重传感器在选用时要考虑到很多因素,?#23548;?#30340;使用当中我们主要从下列几个因素考虑。另外,称重传感器的灵敏度、最大分度数、最小检定分度值等也是传感器选用中必须考虑的指标。
  1. 称重传感器的数量和量程
传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般?#27492;擔?#20256;感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷,其称量的准确度就越高。但在?#23548;?#20351;用时,由于加在传感器上的载荷除被称物体外,还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷,因此选用传感器量程时,要考虑诸多方面的因素,保证传感器的安全和寿命。
  下面给出一个经过大量实验验证的经验公式。
  公式如下:
  C=K0 × K1 × K2 × K3 (Wmax+W)/N
  式中 C一单个传感器的额定量程
  W一秤体自重
  Wmax一被称物体净重的最大值
  N一秤体所采用支撑点的数量
  K0一保险系数,一般取1.2~1.3之间
  K1一冲击系数
  K2一秤体的重心偏移系数
  K3一风压系数
  根据经验,一般应使称重传感器在其30%~70%量程内工作。但对于一些在使用过程中存在较大冲击力的衡器,如动态轨道衡、动态汽车衡、钢材秤等,在选用称重传感器时,一般要扩大其量程,使称重传感器在其量程的20%~30%之内工作,使称重传感器的称量储备量程增大,以保证称重传感器的使用安全和寿命。称重传感器型式的选择主要取决于称量的类型和安装空间,保证安装合适,称量安全可靠;另一方面,要考虑称重传感器制造厂的建议。制造厂一般会根据称重传感器的受力情况、性能指标、安装?#38382;健?#32467;构型式、弹性体的材质等特点规定称重传感器的适用?#27573;В?#27604;如铝式悬臂梁称重传感器适用于计价秤、平台秤、案秤等,?#36136;?#24748;臂梁称重传感器适用于料斗秤、电子皮带秤、分选秤等,?#31181;是?#24335;称重传感器适用于轨道衡、汽车衡、天车秤等,柱式称重传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。
  2.称重传感器的准确度等级选择
  称重传感器的准确度等级包括称重传感器的非线性、蠕变、重复性、滞后、灵敏度等?#38469;?#25351;标。在选用的时候不应该盲目?#38750;?#39640;等级的称重传感器,应该考虑电子衡的准确度等级和成本。一般情况下,选用称重传感器的总精度为非线性、不重复性和滞后三项指标的之和的均方根值略高于秤的精度。
  3.各种类型称重传感器的使用?#27573;?br />   选用的称重传感器须满足仪表输入灵敏度的要求,须能够与所选仪表匹配,满足整台电子秤准确度的要求。一台电子秤主要是由机械机构、称重传感器、仪表三部分组成,在对称重传感器准确度选择的时候,应使称重传感器的准确度略高于理论计算值,因为理论往往受到客观条件?#21335;?#21046;,如机?#21040;?#26500;的强度、仪表的性能、秤的工作环境恶劣程度等因素都直接影响到秤的准确度。因此要从各方面提高要求,兼?#21496;?#27982;效益,确保达到目的。
  4.使用环境
  一般情况下,高温环境对称重传感器造成涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题?#29615;?#23576;、潮湿对称重传感器造成短路的影响;在腐蚀性较高的环境下会造成称重传感器弹性体受损或产生短路现象;电磁场对称重传感器输出会产生干扰。相应的环境因素下我们必须选择对应的称重传感器才能满足必要的称重要求。
  四、称重传感器的分类
  A.按受力方式分:压式 拉式 拉压式 梁式
  B.按弹性体材料分
  不锈钢:主要应用在?#31216;貳?#21270;工、医药等有腐蚀性环境的场所;
  合金钢?#28938;?#34432;性环境场所;
  ?#26753;?#37329;:一般使用在量程小、价格低的市场。
  C.按输出数据类别分
  模拟称重传感器:输出为模拟信号,如:电压信号(mV)。
  数字称重传感器:输出为数字信号(数字量或数?#30452;?#30721;),如:RS485。
  D.按适用温度分
  常温:使用在常规场所,对温度没有特殊要求。
  高温:使用在冶金、核电等温度较高(一般在100℃以上)的环?#22330;?br />   E.按精度
  可查阅GB/T7551-1997《称重传感器》
  F. 按外型结构分
  柱式 S型 轮辐式 梁式 单点式等
  五、称重传感器的基本应用
  称重传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域。如电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。
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