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稱重傳感器

稱重傳感器是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環境，這點對正確選用稱重傳感器至關重要，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。在稱重傳感器主要技術指標的基本概念和評價方法上，新舊國標有質的差異。

• 稱重傳感器工作原理
• 稱重傳感器的種類
• 稱重傳感器常用技術參數
• 稱重傳感器更換注意事項

稱重傳感器工作原理

• 隨著技術的進步,由稱重傳感器制作的衡器已廣泛地應用到各行各業,實現了對物料的快速、準確的稱量，特別是隨著微處理機的出現，工業生產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，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制，到混合分配多種原料的配料系統、生產工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控制等，都應用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領域。

  1．高速定量分裝系統

  本系統由微機控制稱重傳感器的稱重和比較，并輸出控制信號，執行定值稱量，控制外部給料系統的運轉，實行自動稱量和快速分裝的任務。

  系統采用MCS-51單片機和V/F電壓頻率變換器等電子器件，其硬件電路框圖如圖1所示，用8031作為中央處理器，BCD拔碼盤作為定值設定輸入器，物料裝在料斗里，其重量使傳感器彈性體發生變形，輸出與重量成正比的電信號，傳感器輸出信號經放大器放大后，輸入V/F轉換器進行A/D轉換，轉換成的頻率信號直接送入8031微處理器中，其數字量由微機進行處理。微機一方面把物重的瞬時數字量送入顯示電路，顯示出瞬時物重，另一方面則進行稱重比較，開啟和關閉加料口、放料于箱中等一系列的稱重定值控制。

  
  圖1 原理框圖

  在整個定值分裝控制系統中，稱重傳感器是影響電子秤測量的關鍵部件，選用GYL-3應變式稱重測力傳感器。四片電阻應變片構成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比，而且，供橋橋壓U的變化直接影響電子稱的測量，所以要求橋壓很穩定。毫伏級的傳感器輸出經放大后，變成了0-10V的電壓信號輸出，送入V/F變換器進行A/D轉換，其輸出端輸出的頻率信號加到單片機8031定時器1的計數、輸入端T1上。在微機內部由定時器0作計數定時，定時器0的定時時間由要求的A/D轉換分辯率設定。定時器1的計數值反映了測量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時，計算機還根據設定值與測量值進行定值判斷。測量值與給定值進行比較，取差值提供PID運算，當重量不足，則繼續送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值，控制接口輸出控制信號，控制外部給料設備停止送料，顯示測量終值，然后發出回答令，表示該袋裝料結束，可進行下袋的裝料稱重。

  
  圖2 自動稱重和裝料裝置

  圖2所示為自動稱重和裝料裝置。每個裝料的箱子或袋子沿傳送帶運動，直到裝有料的電子稱下面，傳送帶停止運動，電磁線圈2通電，電子稱料斗翻轉，使料全部倒入箱子或袋子中，當料倒完，傳送帶馬達再次通電，將裝滿料的箱子或袋子移出，并保護傳送帶繼續運行，直到下空袋或空箱切斷光電傳感器的光源，與此同時，電子稱料箱復位，電磁線圈1通電，漏斗給電子秤自動加料，重量由微機控制，當電子秤中的料與給定值相等時，電磁線圈1斷電，彈簧力使漏斗門關上。裝料系統開始下一個裝料的循環。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時，這個過程可以持續不斷地進行下去。必要時，*作人員可以隨時停止傳送帶，通過拔碼盤輸入不同的給定值，然后再啟動，即可改變箱或袋中的重量。本系統選用不同的傳感器，改變稱重范圍，則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業的自動包裝中。

  2．傳感器在商用電子秤中的應用

  目前，商用電子計價秤的使用非常普及，逐漸會取代傳統的桿稱和機械案秤。電子計價秤在秤臺結構上有一個顯著的特點：一個相當大的秤臺，只在中間裝置一個專門設計的傳感器來承擔物料的全部重

  
  圖3 計價秤內部結構示意圖

  量，如圖3所示。常用的電子計價秤傳感器的結構如圖4所示，其中圖4（a）為雙連橢圓孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部上平面的兩個螺孔緊固；圖4（b）為梅花型四連孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部側面的三個螺孔堅固，中間支桿上粘貼補償用的應變片。這兩種形式的傳感器，在計價秤中用得多。圖4（c）為三梁式彎曲彈性體，采樣彎曲應力，對重量反應敏感，宜用來制作小稱量計價秤。圖4（d）為三梁式剪切彈性體，采樣中間敏感梁的剪切應力，宜用來制作幾百公斤稱量范圍計價秤。

  
  圖4 計價秤用彈性體結構

  用這些復梁型高傳感器來支承一個大的稱重平臺，被稱重物又可能放置在任何稱臺的任意位置上，必然會產生四角示值誤差，對圖4（a），（b）兩種結構形式的傳感器，可通過銼磨的形式進行角差修正。對圖4(c)，(d)，它有上下兩根局部削弱的柔性輔助梁，使傳感器對側向力、橫向力和扭轉力矩具有很強的抵抗能力，可以通過銼磨輔助梁的柔性部位來調整傳感器的靈敏系數和四角誤差。圖5為一種商用電子計價秤的電路框圖。傳感器采用的是圖4（b）所示的梅花型四連孔結構，該秤具有置零、自動清除單價、零位自動跟蹤、自動去皮、次數累計和金額累計、打印輸出等功能，7段綠色熒光數碼管顯示，使用十分方便。

  
  圖5 電子計價秤的電路框圖

  圖6是采用CHBL3型號S型雙連孔彈性體稱重傳感器制作的便攜式家用電子手提秤的原理圖，由稱重傳感器、放大電路、A/D轉換和液晶顯示四部分組成。圖中，E為9V的疊層電池，R1-R4是稱重傳感器的4個電阻應變片，R5、R6與W1組成零點調整電路。當載荷為零時，調節RW1使液晶顯示屏顯示為零。A1，A2為雙運放集成電路LM358中的兩個單元電路，組成了一個對稱的同相放大器，A/D轉換器采用ICL7106雙積分型A/D轉換器，液晶顯示采用3 1/2液晶顯示片。該電子秤高，簡單實用，攜帶方便。

  稱重傳感器是一種高的傳感器，必須按規定的規格使用。若不按規定的規格使用，不僅不能發揮稱重的作用，而且容易損壞，尤其是不準超過負荷安全值使用。

  
  圖6 手提秤的電路框圖

  對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應變片，也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數的自動補償片，并從外部對它加以適當的補償。非線性誤差是傳感器特性中重要的一點。產生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結構設計決定，通過線性補償，也可得到改善。滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規定的溫度范圍內使用。在露天下使用傳感器，還應考慮陽光直射產生的溫度影響和風壓的影響。

  以上資料為國內目前稱重傳感器的基本情況。而目前較為先進的稱重傳感器（高頻響，高，高量程）其工作原理及電氣則有很大不同，比如，應用在水下的稱重傳感器就有天壤之別。

稱重傳感器的種類

• 稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電陰應變式等8類，以電阻應變式使用廣。

  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使表盤軸旋轉，帶動移動光柵轉動，使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉換電路和表，即可計算出移過的莫爾條紋數量，測出光柵轉動角的大小，從而確定和讀出被測物質量。

  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時，碼盤也隨之轉過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉換成電信號，然后由電路進行數字處理，后在顯示器上顯示出代表被測質量的數字。光電式傳感器曾主要用在機電結合秤上。

  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量。液壓式傳感器結構簡單而牢固，測量范圍大，但準確度一般不超過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。

  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量。電容式傳感器耗電量少，造價低，準確度為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。

  陀螺儀式傳感器

  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)。

  電阻應變式傳感器

  利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作（圖11）。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。電阻應變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應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。電信號經處理后以數字形式顯示出被測物的質量。

  電阻應變式傳感器的稱量范圍為300g至數千kg，計量準確度達1/1000～1/10000，結構較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。

稱重傳感器常用技術參數

• 一、用分項指標表示法 在介紹稱重傳感器技術參數時，傳統的方法是采用分項指標，其優點是物理意義明確，沿用多年，熟悉的人較多。我們現在列出其主要項目如下：*額定容量 生產廠家給出的稱量范圍的上限值。

  *額定輸出（靈敏度）

  加額定載荷時和無載荷時，傳感器輸出信號的差值。由于稱重傳感器的輸出信號與所加的激勵電壓有關，所以額定輸出的單位以mV/V來表示。并稱之為靈敏度。

  *靈敏度允差

  傳感器的實際穩定輸出與對應的標稱額定輸出之差對該標稱額定輸出的百分比。例如，某稱重傳感器的實際額定輸出為2.002mV/V，與之相適應的標準額定輸出則為2mV/V，則其靈敏度允差為：（（2．002 – 2。000）/2.000）*100[%] = 0.1[%]

  *非線性

  由空載荷的輸出值和額定載荷時輸出值所決定的直線和增加負荷之實測曲線之間偏差對于額定輸出值的百分比。

  *滯后允差

  從無載荷逐漸加載到額定載荷然后再逐漸卸載。在同一載荷點上加載和卸載輸出量的差值對額定輸出值的百分比。

  *重復性誤差

  在相同的環境條件下，對傳感器反復加荷到額定載荷并卸載。加荷過程中同一負荷點上輸出值的差值對額定輸出的百分比。

  *蠕變

  在負荷不變（一般取為額定載荷），其它測試條件也保持不變的情形下，稱重傳感器輸出隨時間的變化量對額定輸出的百分比。

  *零點輸出

  在推薦電壓激勵下，未加載荷時傳感器的輸出值對額定輸出的百分比。

  *絕緣阻抗

  傳感器的電路和彈性體之間的直流阻抗值。

  *輸入阻抗

  信號輸出端開路，傳感器未加負荷時，從電源激勵輸入端測得的阻抗值。

  *輸出阻抗

  電源激勵輸入端短路，傳感器未加載荷時，從信號輸出端測得的阻抗。

  *溫度補償范圍

  在此溫度范圍內，傳感器的額定輸出和零平衡均經過嚴密補償，從而不會超出規定的范圍。

  *零點溫度影響

  環境溫度的變化引起的零平衡變化。一般以溫度每變化10K時，引起的零平衡變化量對額定輸出的百分比來表示。

  *額定輸出溫度影響

  環境溫度的變化引起的額定輸出變化。一般以溫度每變化10K引起額定定輸出的變化量額定輸出的百分比來表示。

  *使用溫度范圍

  傳感器在此溫度范圍內使用其任何性能參數均不會產生性有害變化

  二、在《OIML60號國際建議》中采用的術語。 以《OIML60號國際建議》９２年版為基礎，參考《JJG669--90稱重傳感器檢定規程》新的技術參數大致有：

  *稱重傳感器輸出

  被測量（質量）通過稱重傳感器轉換而得到的可測量。

  *稱重傳感器分度值

  稱重傳感器的測量范圍被等分后其中一份的大小。

  *稱重傳感器檢定分度值（V）

  為了準確度分級，在稱重傳感器測試中采用的，以質量單位表達的稱重傳感器分度值。

  *稱重傳感器小檢定分度值（Vmin）

  稱重傳感器測量范圍可以被分度的小檢定分度值勤。

  *小靜負荷（Fsmin）

  可以施加于稱重傳感器而不會超出允許誤差的質量的小值。

  *稱量

  可以施加于稱重傳感器而不會超出允許誤差的質量的值。

  *非線性（L）

  稱重傳感器進程校準曲線與理論直線的偏差。

  *滯后誤差（H）

  施加同負荷時稱重傳感器輸出讀數之間的差值；其中是由小靜負荷開始的進程讀數，另是由稱量開始的回程讀數。

  *蠕變（Cp）

  在負荷不變，所有環境條件和其它變量也保持不變的情況下，稱重傳感器滿負荷輸出隨時間的變化。

  *小靜負荷輸出恢復植（CrFsmin）

  負荷施加前，后測得的稱重傳感器小靜負荷輸出之間的差值。

  *重復性誤差（R）

  在相同的負荷和相同的環境條件下，使連續數次進行實驗所得的稱重傳感器輸出讀數之間的差值。

  *溫度對小靜負荷輸出的影響（Fsmin）

  由于環境溫度變化而引起的小靜負荷輸出之間的變化。

  *溫度對輸出靈敏度的影響（St）

  由于環境溫度變化而引起的輸出靈敏度的變化。

  *稱重傳感器測量范圍

  被測量（質量）值范圍，測量結果在此范圍內不會超出允許誤差。

  *安全極限負荷

  可以施加于稱重傳感器的負荷，此時稱重傳感器在性能特征上，不會產生超出規定值的性漂移。

  *溫濕度對小靜負荷輸出影響（FsminH）

  由于溫濕度變化而引起的小靜負荷輸出的變化。

  *溫濕度對輸出靈敏度的影響

  由于溫濕度變化而引起的輸出靈敏度的變化。

  此外，在《JJG699—90稱重傳感器檢定規程》中，還列出了一個技術參數，即

  *小負荷（Fmin）

  力發生裝置能達到的接近稱重傳感器小靜負荷的質量值。

  正是因為傳感器測量時，總要在測力機上進行，而又很難直接測量小靜負荷點性能。再要說明一點，《OIML60號國際建議》是專門為稱重傳感器而制定的，它對稱重傳感器的*定的出發點就是要適應衡器的要求。當傳感器用于其它目的時，這種*估方式不一定合適。

稱重傳感器更換注意事項

• １．稱重傳感器隨著額定載荷的增大，其輸出的微伏／分度信號是減小的，而不是隨著額定載荷的增大，輸出信號也增大。這一點往往被忽略。所以在更換傳感器時，應盡可能用和原來一樣載荷的傳感器。若想更換載荷稍大一點的，就要注意電子秤的稱重顯示儀表量程是否可調：如果是不可調的舊式顯示儀表，會因為換成載荷較大的傳感器，輸出的微伏／分度信號變小，不能滿量程輸出、顯示，撥碼調整達不到目的而不能使用；如果是量程可調的稱重顯示儀表（如托利多８１４０系列），換成載荷較大的傳感器后，則可通過設定量程，按說明書調試使用。同時應注意，如果傳感器的額定載荷過大，輸出的微伏／分度信號過小，容易降低秤的靈敏度。

  ２對于在第二傳力聯桿（即傳力杠桿與第二傳力杠桿之間的聯桿）中安裝Ｓ形傳感器的機電結合秤，應注意：重新安裝傳感器后的聯桿長度與原來的聯桿長度一致。從另一方面說，就是要保證傳力杠桿水平且聯桿與傳力杠桿垂直成９０度角。如果有偏差，將直接影響秤的準確度和靈敏度。聯桿長度過長，將會出現“秤大”現象；過短，將會出現“秤小”現象。此時還應注意，聯桿必須處于自由懸掛狀態，不可與其它物體摩擦，以免影響秤的靈敏度。

  ３機電結合秤在更換傳感器后的調試中，應在機械秤調試準確的基礎上按稱重顯示儀表說明書進行。

  ４無論是電子秤或機電結合秤，在更換傳感器后，都必須經過檢定合格后方可使用。