重量传感器

工作原理

　　1. 两个典型的力学模型

　　当F＞0时，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被压缩，阻值减小。

　　2. 惠斯顿电桥

　　在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。

　　电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当Ui为直流时该电桥为直流电桥。电桥电路如上图所示，它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成。

　　1) 直流电桥的电压输出

　　根据分压原理，从D-A-C半桥来看，从D经A到C的电压降为Ui，通过R1、R2的电流

　　I1=Ui/（R1+R2） （1）

　　R2上的电压降为I1R2，代入（1）得

　　UAC=Ui*R2/（R1+R2） （2）

　　同样，D-B-C半桥的电压降也是Ui，R3上的电压降为：

　　UBC=Ui*R3/（R3+R4） （3）

　　则输出电压UO是UBC与UAC之间的差，即

　　R1R3-R2R4

　　UO=UBC-UAC= Ui （4）

　　（R1+R2）（R3+R4）

　　由（4）可知，当桥臂电阻满足如下条件时，即

　　R1R3=R2R4 （5）

　　电桥的输出电压UO=0，电桥处于平衡状态。

　　为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（置零），这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。

　　2) 按上述力学模型解释：

　　当F=0时，R1R3=R2R4；U0=0；

　　当F＞0时，R1、R3增加，R2、R4减小，U0＞0。

　　若欲得到与上述电信号相反的结果时，只需将A与C（或B与D）之间的电源正、负极互换即可。

　　3) 当桥臂电阻的阻值发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化，当⊿R<

采用多个称重传感器电子秤的工作原理

　　问题的提出：某工厂中有一储罐，因用料位计无法准确测量料位，因此采用电子秤称重系统。在储罐中上部的四个方位分别装有一个传感器，那么该电子秤的工作原理是怎样的？

　　解答：

　　这样的电子秤相当于一个电子地磅，传感器的多少与量程和精度有关。

　　电子地磅结构组成和工作原理

　　1、结构组成

　　主要由承载器、称重显示仪表（下简称仪表）、称重传感器（下简称传感器）、连接件、限位装置及接线盒等零部件组成，还可以选配打印大屏幕显示器、计算机和稳压电源等外部设备。

　　2、工作原理

　　被称重物或载重汽车置于承载器台面上，在重力作用下，通过承载器将重力传递至称重传感器，使称重传感器弹性体产生变形，贴附于弹性体上的应变计桥路失去平衡，输出与重量数值成正比例的电信号，经线性放大器将信号放大。再经A/D转换为数字信号，由仪表的微处理机（CPU）对重量信号进行处理后直接显示重量数据。配置打印机后，即可打印记录称重数据，如果配置计算机可将计量数据输入计算机管理系统进行综合管理。

　　利用应变电测原理称重。在称重传感器的弹性体上粘贴有应变计，组成惠斯登电桥。在无负荷时，电桥处于平衡状态，输出为零。当弹性体承受载荷时，各应变计随之产生与载荷成比例的应变，由输出电压即可测出外载重量！

　　通过仪表的通讯接口可以与上位机连接。

　　此种称重计量方式说几个缺点：

　　1.这种电子秤储罐与外界所有接管都必须用软连接，容易泄露。

　　2.校验不方便。

　　3.传感器在现场放置，与物料接触多容易腐蚀，传感器多，维修成本高。

　　建议：如果物料计量精度要求高，可用质量流量计。

　　一般传感器采用惠更斯电桥测量，应用中是几个称重传感器并联在一起，输出信号为平均信号。

参数最小检定分度值Vmin的探讨

　　本文作者从重量传感器使用角度，对传感器的最小检定分度值参数Vmin进行了探讨，着重讨论了制造商提供最小检定分度值Vmin的必要性，给出了一种最小检定分度值Vmin的确定方法，阐述了最小检定分度值Vmin与最小静载荷输出温度影响（ZTC）之间的关系。

　　一、概述

　　重量传感器的国标和检定规程已与国际接轨，目前重量传感器执行的国标和检定规程为GB/T7551-1997《重量传感器》，JJG669-2003《称重传感器检定规程》，其中GB/T7551-1997《重量传感器》等效采用国际建议OIMLR60：1991，JJG669-2003《称重传感器检定规程》等效采用国际建议OIMLR60：2000。重量传感器的国标滞后于检定规程，使得生产厂家对OIML R60：2000国际建议（以下简称R60国际建议）的理解未统一，直接影响到R60国际建议的宣贯、推广。为与R60国际建议接轨，国内各有条件的生产厂家均进行了R60国际建议的导入工作。目前，国内厂家执行R60国际建议的并不多，主要原因是对国际建议某些概念和规定的理解不透彻，拿不准，另外，由于不具备标准要求的试验装备，也限制了生产厂家对标准的贯彻。 本文参考了国外公司样本，结合本人对R60国际建议的学习，探讨了称重传感器参数最小检定分度值Vmin的确定和计算方法，从使用角度谈了重量传感器最小检定分度值Vmin参数的理解。

　　二、重量传感器最小检定分度值Vmin的理解

　　1. 提供重量传感器最小检定分度值Vmin的必要性

　　JJG669-2003《称重传感器检定规程》中4.7.2条规定：如果4.6条要求的信息没有标记在重量传感器上，那么这些信息应由制造者在随重量传感器的文件中提供。与此同时，4.7.1条要求的信息也应在文件中给出。其中的E）条：最小检定分度值参数Vmin，为制造者应提供给用户的强制性信息之一。这是生产商给客户提供重量传感器最小检定分度值Vmin的强制性要求，重量传感器生产商必须提供，目前国内提供最小检定分度值Vmin的生产厂家不多。

　　在JJG669-2003《称重传感器检定规程》中4.6.6.2非强制性附加信息中规定：除4.6.1至4.6.6.1条要求的信息外，对每个重量传感器可以提供下列信息：a）对于服从OIML R76的多量程秤可以提供Y，这里Y＝Emax/Vmin。b） 对于服从JJG555-1996多分度值秤可提供Z，这里，Z＝Emax/（2*DR）。DR为允许的最小静载荷输出恢复值。这是对重量传感器最小检定分度值Vmin非强制性的要求，因此，对于应用于多分度值秤场合的重量传感器，生产厂家应提供Y和Z。

　　2. 一种确定重量传感器最小检定分度值Vmin的方法

　　重量传感器最小检定分度值Vmin定义：重量传感器测量范围可以分成的最小检定分度值（质量）。它是使用或检定时，重量传感器测量范围内可以分成的最小质量单位。重量传感器作为衡器的心脏部件，在衡器秤量只应用了传感器的测量范围（Dmax-Dmin）的一部分。从使用角度来讲，传感器量程Emax中有多少用于计量范围，这是传感器使用者选型时必须考虑的。通常传感器选择时有如下的原则：秤台自重+额定容量+振动、冲击分量≤0.6倍重量传感器总容量，也就是说重量传感器在使用时不一定用足该重量传感器评定时的测量范围（Dmax-Dmin），事实上，绝大多数重量传感器在使用时仅用到其测量范围的某一段，衡器的计量范围Max只应用了传感器量程的一部分。对于N只重量传感器组成的秤，根据JJG555-1996中5.8.1要求，重量传感器的秤量应符合下述要求：Emax＞Q·Max·R/N R为载荷传递装置的缩小比，N为重量传感器个数，Q为修正系数，变换后可以得到：

　　Max/N＜Emax·P （P= 1/ Q·R）

　　这里，将P定义为量程利用率，P＜1。量程利用率P是考虑到偏载、承载器的自重、初始置零范围和载荷分布不均匀性因素影响。对于秤量已确定的衡器，其重量传感器量程Emax的选择是综合Max、N、P后确定的。在Emax·P范围内要达到传感器的测量范围（Dmax-Dmin）的准确度，必须保证Emax·P范围内有足够的分辨率，也就是说最小检定分度值参数Vmin的确定强调了重量传感器应用时，所使用重量传感器量程的下限。而R60国际建议并未对重量传感器的灵敏度范围作出规定，对于使用者来说，在重量传感器测量范围内确定其使用量程的下限，关系到使用仪表的选用及与使用仪表分辨率的匹配。

　　3. 最小静负荷输出温度影响（ZTC）与最小检定分度值Vmin的关系

　　根据GB/T7551-1997规定的C级传感器有：

　　ZTC/5℃［[%]Emax］*[%]Emax［g］≤0.7Vmin［g］ （PLC=0.7）

　　因此知道了Vmin可以计算出重量传感器最小静负荷输出温度影响（ZTC）的上限值，换言之不同准确度的重量传感器，其最小检定分度值Vmin也是不同的。

　　例Emax＝500kg C3 量程利用率P＝30[%]；Max＝Emax*P＝150kg

　　因e = Max/n （n＝3000） Vmin≤e*R/N1/2（R，N这里均为1）

　　e为秤的分度值，R为载荷传递装置的缩小比，N为称重传感器个数，为便于分析，本文例子中承载器支承点均为1。 则Vmin＝Max / 3000＝50g（此处数值应按1×10K，2×10K，5×10K选取，其中k为正、负整数和零）

　　ZTC/5℃［[%]Emax］*[%]Emax［g］＝0.7*50g = 35g

　　ZTC/［[%]Emax /℃］=0.7*Vmin/（Emax*5℃）=0.0014[%]Emax/℃

　　上例表明，量程利用率为30[%]的重量传感器，准确度为C3，其最小静负荷输出温度影响（ZTC）的允许值为14ppm/℃。不同量程利用率下的单点重量传感器的ZTC允许值见下表：（重量传感器准确度C3，3级秤）

　　以上可以看出，具有相同量程（Emax）的重量传感器，其测量范围（即量程利用率）越小，则最小检定分度值Vmin越小；准确度相同，量程不同的单点传感器，若量程利用率相同，则可以有相同的ZTC。

　　4. 多分度值秤中Vmin的有关要求

　　对符合JJG555-1996多分度值秤可提供Z，同时满足ZTC，也就是说，重量传感器应用于多分度值秤的场合，有如下关系（重量传感器按C3级）： Z＝Emax/（2*DR）

　　Vmin［g］≥ZTC/5℃［[%]Emax］*[%]Emax［g］/0.7 （PLC=0.7）

　　依据JJG555-1996中 5.8条对重量传感器的要求，可以确定在多分度值秤的场合下，重量传感器必须满足下列条件：

　　Vmin≤e1 （e1：多分度值秤中局部称量范围内的检定分度值）

　　Z≥Maxn/ e1 （注：Emax＞Maxn，DR≤0.5v［g］，V≥Vmin［g］，Vmin［g］≤e1［g］）

　　nLc≥Maxi/ei （i=1，2，3……） （注：nLc≥n，nLc≥ni）

　　例如：一台多分度值秤秤量Max＝15kg 3级 检定分度值 e1＝1g 0～2kg n1=2000, e2＝2g 2kg～5kg n2=2500, e3＝10g 5kg～15kg n3=1500

　　则传感器必须满足下列条件：

　　Vmin≤1g, Z≥15000, nLc≥3000 其首次检定的允许误差参见JJG555-1996中4.3条注解，这里不再赘述。

　　三、结束语

　　以上是从重量传感器应用和使用者的角度讨论了对Vmin的理解，给出了一种Vmin的确定方法，探讨了多分度值秤中Vmin的有关要求，难免带有片面性，目的是抛砖引玉，促进同行对国标和R60国际建议的交流，形成统一的认识，加快重量传感器标准与R60国际建议的接轨。

多个称重传感器组合安装的注意事项

　　一台高准精度的电子衡器, 几乎很少采用一个称重传感器, 常有三个或二个以上的传感器来组成传感系统一方面是为了维持秤体本身的稳定另一方面可增大称重吨位。在由多个传感器构成的电子衡器中, 除应合理选定称重传感器的负荷和正确安装外, 还应注意：

　　1，应在各称重传感器两旁加装如图所示的固定支柱和千斤顶支架。固定支柱的高度应略低于传感器高度3mm到4mm, 以便需要更换或维护传感器时, 利用千斤顶将秤体顶起, 再在固定支柱上塞进适当厚度的垫铁, 使传感器与支架脱开4mm到5mm, 作为临时支撑另一方面当秤体超载时, 起到保护传感器的作用。

　　2，为防止秤体因冲击等原因而引起水平方向运动应根据秤体的结构形式加装适当的限位器。限位器安装时不应在垂直方向上施加任何力, 但能抵消作用在秤体上的各种水平力。

　　3，称重传感器必须安装在水平面上, 在有载荷时也必须保持水平, 以防因倾斜而导致载荷分配不均而损坏传感器。