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稱重傳感器 - 簡介
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(zhǔn)確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來，以便選用對應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的稱重傳感器。國際法制計量組織(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(jìn)行調(diào)整，從而獲得期望的準(zhǔn)確度。 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)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。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(dāng)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(dāng)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(shí)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，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，知道導(dǎo)線的橫截面積S=πr2，則Δs=2πr*Δr，所以ΔS/S=2Δr/r(2—4) Δr/r=-μΔL/L(2—5) 其中，負(fù)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(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)
稱重傳感器 - 工作原理
將電阻應(yīng)變計粘貼在彈性敏感元件上，然后，以適當(dāng)?shù)姆绞浇M成電橋，從而將物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號。稱重傳感器主要有兩部分組成，第一部分是彈性敏感元件，他將被測物體的壓力質(zhì)量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；第二部分是作為傳感元件的電阻應(yīng)變計，他將彈性體的應(yīng)變同步的轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。 稱重傳感器是壓力測量傳感器，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(jī)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(qiáng)了保護(hù)等級，這種點(diǎn)部測量的結(jié)構(gòu)，具有8個壓力測量，減少因負(fù)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(xué)和化學(xué)工業(yè)中攻擊性環(huán)境的應(yīng)用。
稱重傳感器 - 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、電陰應(yīng)變式等8類，以電阻應(yīng)變式使用最廣。
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。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(jìn)行數(shù)字處理，最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(jī)電結(jié)合秤上。 液壓式傳感器在受被測物重力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(zhǔn)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(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作。當(dāng)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(fù)至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進(jìn)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(zhǔn)確度高，可達(dá)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。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(zhǔn)確度為1/200～1/500。 磁極變形式傳感器 ，鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起導(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)電壓也隨之變化。測量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力，進(jìn)而確定被測物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)承重臺上加有被測物時，V形弦絲的交點(diǎn)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(zhǔn)確度較高,可達(dá)1/1000～1/10000，稱量范圍為100克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復(fù)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(dāng)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(jìn)而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小，計量準(zhǔn)確度高達(dá)1/10000～1/200000，稱量范圍為500g～10kg。
陀螺儀式傳感器 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(jī)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(jìn)動)。進(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ω，即可求出外力大小，進(jìn)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(zhǔn)確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計量準(zhǔn)確度(1/30000～1/60000)。
電阻應(yīng)變式傳感器 利用電阻應(yīng)變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。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(dǎo)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300g至數(shù)千kg，計量準(zhǔn)確度達(dá)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。