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江蘇邱成機電有限公司

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電磁力式

它利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡的原理工作。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，經放大后流入線圈，產生電磁力，使杠桿恢復至平衡狀態。對產生電磁平衡力的電流進行數字轉換，即可確定被測物質量。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。

磁極變形式

鐵磁元件在被測物重力作用下發生機械變形時，內部產生應力并引起導磁率變化，使繞在鐵磁元件（磁極）兩側的次級線圈的感應電壓也隨之變化。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

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，但結構復雜，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

轉子裝在內框架中，以角速度ω繞X軸穩定旋轉。內框架經軸承與外框架聯接，并可繞水平軸 Y 傾斜轉動。外框架經萬向聯軸節與機座聯接，并可繞垂直軸Z 旋轉。轉子軸 (X軸)在未受外力作用時保持水平狀態。轉子軸的一端在受到外力(P/2)作用時，產生傾斜而繞垂直軸Z 轉動（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，進而求出產生此外力的被測物的質量。

陀螺儀式傳感器響應時間快(5秒)，無滯后現象，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)。

電阻應變式

利用 [2]  電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。

板環式

板環式稱重傳感器的結構具有明確的應力流線分布、輸出靈敏度高、彈性體為一整體、結構簡單、受力狀態穩定、易于加工等優點。目前在傳感器生產中還占著較大的比例,而對這種結構傳感器的設計公式目前還不很完善。因這種彈性體的應變計算比較復雜,通常在設計時把它看作為圓環式彈性體進行估算。特別是對1t及以下量程的板環式傳感器設計計算誤差更大,同時往往還會出現較大的非線性誤差。

板環式稱重傳感器用途與特點：結構緊湊、防護性能好。精度高、長期穩定性好。適用于吊鉤秤、機電結合秤及其它力值的測

數字式

1.定義

數字稱重傳感器是一種能將重力轉變為電信號的力-電轉換裝置，它主要是指集電阻應變式稱重傳感器、電子放大器（英文簡稱AMC）、模數轉換技術（英文簡稱ADC）、微處理器（簡稱MCU）于一體的新型傳感器。

2.特點和應用

數字稱重傳感器和數字計量儀表技術的發展已逐漸成為稱重技術領域的新寵，其以調試簡便高效、適應現場能力強等優勢正在該領域嶄露頭角。

圖1 S型稱重傳感器

圖1 S型稱重傳感器

3.S型定義

S型稱重傳感器如圖1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器，因為它的外形像S形狀，所以習慣上也稱S型稱重傳感器，此傳感器采用合金鋼材質，膠密封防護處理，安裝容易，使用方便，適用于吊秤，配料秤，機改秤等電子測力稱重系統。

構成編輯 語音

敏感元件

直接感受被測量(質量)并輸出與被測量有確定關系的其他量的元件。如電阻應變式稱重傳感器的彈性體，是將被測物體的質量轉變為形變;電容式稱重傳感器的彈性體將被測的質量轉變為位移。

變換元件

又稱傳感元件，是將敏感元件的輸出轉變為便于測量的信號。如電阻應變式稱重傳感器的電阻應變計(或稱電阻應變片)，將彈性體的形變轉換為電阻量的變化;電容式稱重傳感器的電容器，將彈性體的位移轉變為電容量的變化。有時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，在發生變形的同時輸出電量。

測量元件

將變換元件的輸出變換為電信號，為進一步傳輸、處理、顯示、記錄或控制提供方便。如電阻應變式稱重傳感器中的電橋電路，壓電式稱重傳感器的電荷前置放大器。

輔助電源

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。因此，作為一個產品必須標明供電的要求，但不作為稱重傳感器的組成部分。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作。所以并非所有傳感器都要有輔助電源。

原理編輯 語音

電阻應變式稱重傳感器 [3]  是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

稱重傳感器

稱重傳感器

由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中*的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。

一、電阻應變片

電阻應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，即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。

設有一個金屬電阻絲，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，也就是說產生變形。設其伸長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泊松系數。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）之間的關系。

需要說明的是：靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數，它和應變片的形狀、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，即它沒有量綱。

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。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構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生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的完成應變棗電信號的轉換任務。

以稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。

設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力，但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應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變表達式，而不再推導。

其中：Q--截面上的剪力；E--揚氏模量：μ—泊松系數；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。

需要說明的是，上面分析的應力狀態均是“局部"情況，而應變片實際感受的是“平均"狀態。

三、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，各臂參數一致，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。

常用材料編輯 語音

稱重傳感器性能的好壞很大程度上取決于制造材料的選擇。稱重傳感器材料包括以下幾個部分：應變片材料、彈性體材料 [4]  、貼片黏合劑材料、密封膠材料、引線密封材料和引線材料。

電阻元件材料

應變片是稱重傳感器的感應部分，它將外力的大小轉化為電學量輸出，是傳感器最重要的組成部分，常用的應變片基材采用高分子薄膜材料，應變材質通常為高純度康銅 。應變片的性能不僅僅與基材和康銅純度有關，還與制造工藝有關。提高工藝技術水平也是改善傳感器性能一個很重要的方面。

彈性體材料

稱重傳感器彈性體的作用是傳遞外力，它必須具有在受到相同力大小的時候，產生形變一樣，因為應變片就粘貼在彈性體上面，彈性體的形變就是應變片的形變；同時它還須具有復位性，在外力消失的時候，可以自動復位。彈性體材料 [5]  通常選擇各樣金屬，主要有鋁合金、不銹鋼和合金鋼等等。

黏合劑材料

貼片黏合劑是把應變片和彈性體牢牢固定在一起，使它們產生的形變永遠一致。由此可見，貼片黏合劑也是一個重要部件。21世紀初，使用叫多的貼片黏合劑是雙組分高分子環氧系列黏合劑。21世紀初，它的性能與它自身的純度、混合方式、儲存時間、固化方式、固化時間等關系很大，在使用之前按要仔細看它的詳細介紹。

密封膠材料

早期的稱重傳感器密封都采用密封膠，后來由于制造技術的發展，用焊接技術可以提高極大傳感器的穩定性和使用壽命。雖然21世紀初很多采用了焊接技術，但是某些重要部位還需涂抹一些密封膠。密封膠一般都采用硅膠，硅膠具有穩定性好的優點，可以防潮、防腐蝕，絕緣性能也非常好。

引線密封

傳感器輸出引線如果不固定的話，會發生損壞或松動，導致信號不穩定或沒有輸出。21世紀初傳感器輸出都采用連接器的方式，連接器的材質和緊固力度也會給輸出帶來影響。采用連接器跟密封膠配合使用。內部引線也需要固定，防止其到處移動。引線的質量也很重要，其材質性能從高到低的排列順序依次為鍍銀、銅線和鋁線。如果周圍高頻信號、無線電波干擾嚴重的話，還需采用屏蔽電纜；在腐蝕性環境和易燃易爆場合則需要采用防腐防阻燃和防爆電纜，外加套管進行保護。 [6] 

選擇編輯 語音

另外，稱重傳感器的靈敏度、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。

傳感器的數量和量程

傳感器數量的選擇是根據電子衡器的用途、秤體需要支撐的點數(支撐點數應根據秤體幾何重心和實際重心重合的原則而確定)而定。一般來說秤體有幾個支撐點就選用幾只傳感器。

傳感器的量程選擇可依據秤的稱量值、選用傳感器的個數、秤體自重、可產生的偏載及動載因素綜合評價來決定。下面給出一個經過大量實驗驗證的經驗公式。

公式如下：

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

使用環境

稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉換成可測量的電信號輸出裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環境，這點對于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。一般情況下，高溫環境對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、潮濕對傳感器造成短路的影響；在腐蝕性較高的環境下會造成傳感器彈性體受損或產生短路現象；電磁場對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。

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