幾種常見地磅稱重傳感器技術(shù)特性及應(yīng)用的介紹與分析

稱重傳感器被稱為地磅中的心臟部件。本文主要闡述了地磅電阻應(yīng)變片式、電磁力式、光電式、電容式、液壓式、振動式、磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式9大類稱重傳感器，分別對其進(jìn)行了介紹和分析，有利于稱重測力傳感技術(shù)工作者進(jìn)一步了解和掌握相關(guān)知識。

一、概述

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)，即傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，他們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。信息采集系統(tǒng)的首要部件是傳感器，且置于系統(tǒng)的最前端。在一個現(xiàn)代自動檢測系統(tǒng)中，如果沒有傳感器，就無法監(jiān)測與控制表征生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的各種參量，也就無法實現(xiàn)自動控制。在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器實際上是現(xiàn)代測試技術(shù)和自動化技術(shù)的基礎(chǔ)。

稱重傳感器被稱為地磅中的心臟部件。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，由稱重傳感器制作的地磅也已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實現(xiàn)了對物料的快速、準(zhǔn)確的稱量。特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置。目前，稱重傳感器幾乎運用到了各行各業(yè)。

地磅稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法通常分為電阻應(yīng)變片式、電磁力式、光電式、電容式、液壓式、振動式、磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式9 大類，以電阻應(yīng)變片式使用最廣。下面是幾種常用的地磅稱重傳感器的工作原理、特性及優(yōu)劣比較。

二、電阻應(yīng)變式稱重傳感器

以金屬材料為轉(zhuǎn)換元件的電阻應(yīng)變計，其轉(zhuǎn)換原理是基于金屬電阻絲的電阻—    應(yīng)變效應(yīng)，所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體（電阻絲）的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象（如圖1 所示）。

金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：

R=P△L/△S

式中：P—金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω.C㎡/m）;

S—導(dǎo)體的截面積（c㎡）;

L—導(dǎo)體的長度（m）.

電阻應(yīng)變片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（如圖2所示）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?。俳?jīng)過惠斯通電橋（如圖3所示）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。

電阻應(yīng)變式稱重傳感器的稱量范圍為幾十克至數(shù)千噸，計量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000～ 1/10000 ，結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性較好，大部分地磅均使用此傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點是準(zhǔn)確度高、測量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、頻響特性好能在惡劣條件下工作，易于實現(xiàn)小型化整體化和品種多樣化等。它的缺點是機(jī)械滯后、蠕變和零漂、應(yīng)變極限，對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號較弱，但是可通過一定措施改進(jìn)。電阻應(yīng)變片式稱重傳感器是稱重傳感器中應(yīng)用最廣泛的，對其的特性研究也是最多的。

三、電磁力平衡稱重傳感器

電磁力平衡傳感器的稱重過程基于安培力實現(xiàn)。通電導(dǎo)線在磁場中受到的作用力如圖 4所示。在導(dǎo)線上加上秤盤，秤盤及導(dǎo)線本身具備的重力方向朝下，而通電導(dǎo)線受到向上的電磁力，當(dāng)通過導(dǎo)線的電流值達(dá)到某一值時，這兩個力互相平衡，此時傳感器就處于平衡狀態(tài)即可確定被測物體的重量。電磁力平衡傳感器依靠載流線圈在恒定直流磁場中產(chǎn)生的電磁力與被測質(zhì)量的重力平衡，實現(xiàn)被測質(zhì)量的電信號轉(zhuǎn)換。

電磁力平衡稱重傳感器是一種高精度傳感器，精度可達(dá)1/2000～1/60000，但稱量范圍僅在幾十毫克至十千克之間。廣泛用于電子分析天平，是精密質(zhì)量稱量的常用傳感器。由于測量分辨率高、靈敏可靠、價格適宜，在精密質(zhì)量稱量、化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測、加速度測量、水分檢測等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。為減小傳感器的體積，簡化傳感器的制造工藝，降低制造成本，電磁力平衡傳感器的恒定直流磁場采用永久磁鐵。永久磁鐵作為電磁力平衡傳感器的永磁體，其磁性能的穩(wěn)定性直接影響電磁力平衡傳感器的精度。

電磁力平衡式傳感器是一項相對成熟的專利技術(shù)，對傳感器的生產(chǎn)條件要求較高，目前，世界上只有為數(shù)不多的幾家大廠掌握這種技術(shù)。這種高精度的電子稱重裝置由于其獨特的工作原理和工藝水平，精度非常高，主要用于高端市場。例如用高強(qiáng)度鋁合金材料通過高精度電火花切割加工而成的單模塊傳感器，瑞士梅特勒-托利多集團(tuán)和德國賽多利斯都有該項專利技術(shù)，他將傳統(tǒng)的電磁力平衡式傳感器中的杠桿、上下導(dǎo)桿、底座以及簧片等多個零部件融為一體。由于內(nèi)部無連接螺絲，從而大大提高其可靠性的同時，高效的機(jī)械傳輸性能和扭力保護(hù)，提高了其使用壽命。

四、電容式稱重傳感器

電容式稱重傳感器是一種把被測的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器，其最常用的形式是由兩個平行電極組成，極間以空氣為介質(zhì)的電容器（如圖5所示）。

他利用電容器振蕩電路的振蕩頻率f與極板間距Q的正比例關(guān)系工作，若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為：C=∑A/Q

式中：∑—極間介質(zhì)的介電常數(shù)；

A—兩電極互相覆蓋的有效面積；

Q—兩電極之間的距離。

∑、A、Q三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。

電容式稱重傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、靈敏度高、過載能力強(qiáng)、耗電量少、造價低，準(zhǔn)確度一般為1/200 ～1/500，動態(tài)響應(yīng)特性好，對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容，對靈敏度和測量精度的影響較大等。由于電阻應(yīng)變式稱重傳感器無法做成超高溫或在超高溫環(huán)境故障率非常高，所以在許多超高溫環(huán)境對稱量精度要求不高或只為起到安全過載保護(hù)的作用時通常使用電容式稱重傳感器具有一定優(yōu)勢，譬如煉鋼廠所使用的部分高溫吊鉤秤，此類傳感器目前應(yīng)用非常稀少。

五、光電式稱重傳感器

光電式傳感器包括光柵式和碼盤式兩種。

光柵式傳感器的工作原理是將光柵形成的莫爾條紋角位移轉(zhuǎn)換成光電信號。光柵有兩塊，一個光柵裝在表盤軸上可移動，另一塊光柵固定。加載重量后，傳力杠桿帶動使表盤軸旋轉(zhuǎn)從而帶動移動光柵轉(zhuǎn)動，莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，計算移過的莫爾條紋數(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。加載后，通過杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時，碼盤也轉(zhuǎn)過一定角度。光電池透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，由電路進(jìn)行處理并得到測量結(jié)果。

光電式傳感器曾主要用在機(jī)電結(jié)合秤上，具有穩(wěn)定工作抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點，可用于惡劣的煤礦等工業(yè)環(huán)境，但是運行速度低，不能滿足高速稱重的要求。

近年來由于電阻應(yīng)變式稱重傳感器的技術(shù)日趨成熟，此類傳感器已基本沒有再應(yīng)用，作為曾經(jīng)的一個過渡產(chǎn)品已經(jīng)完成其使命，幾乎退出市場。

六、液壓式稱重傳感器

液壓式稱重傳感器是指承受被測物重力作用時，液壓油壓力增大，增大的程度與物體重力成正比，測出壓力的增大值，就可得到被測物的質(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)確度一般不到1/1000，有時甚至連1/100也不到。其目前主要應(yīng)用在對稱量要求精度不高或安全過載保護(hù)方面的稱重測力場合，譬如裝載機(jī)秤。

七、磁極變形式稱重傳感器

磁極變形式稱重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。幾乎在整個稱重傳感器市場沒有實際的應(yīng)用。

八、振動式稱重傳感器

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型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(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.

九、陀螺儀式稱重傳感器

從力學(xué)的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個鋼體，剛體上有一個方向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動，所以，陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動。更確切說，一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自傳軸有角轉(zhuǎn)動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

陀螺儀的基本部件有：

1.陀螺轉(zhuǎn)子（常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值）。

2.內(nèi)外框架（或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu)。

3.附件（是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等）。

如圖6所示，轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中，以角速度繞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作用時，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z轉(zhuǎn)動。進(jìn)動角速度與外力P/2成正比，通過檢測頻率的方法測出W，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，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）。

十、光纖光柵式稱重傳感器

光纖光柵式稱重傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。

光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時敏感，即溫度與應(yīng)變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問題，實現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測量是傳感器實用化的前提。通過一定的技術(shù)來測定應(yīng)力和溫度變化來實現(xiàn)對溫度和應(yīng)力區(qū)分測量。這些技術(shù)的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳感器，通過確定兩個光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。

實驗中所使用的光纖光柵均為BRAGG光纖光柵，其折射率調(diào)制周期是均勻的，故滿足BRAGG條件，即

由以上可知，在排除或者忽略溫度變化影響的時候，光纖光柵BRAGG波長的變化僅與應(yīng)力的變化相關(guān)，且是成正比的，根據(jù)這一原理即可利用光纖光柵來測量力的變化。

光纖光柵式稱重傳感器具有以下優(yōu)點：

1.抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶鸥蓴_的影響。

2.電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無需電源驅(qū)動，因此，適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。

3.耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料—石英具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此，光纖傳感器適宜于在惡劣環(huán)境中使用。

4.體積小、重量輕、幾何形狀可塑。

5.傳輸損耗?。嚎蓪崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測。

6.傳輸容量大：可實現(xiàn)多點分布式測量。

7.測量范圍廣：可測量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位等。

就目前而言，光纖光柵式稱重傳感器大多還處于研究和實驗階段，國內(nèi)外在這方面都有報道，德國HBM公司已經(jīng)擁有基于光纖光柵的光學(xué)應(yīng)變計，且成功應(yīng)用在DB MINDEN公司使用HBM光學(xué)應(yīng)變片進(jìn)行最新的鐵路車輛測試。