称重传感器

原理

　　随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

　　1．高速定量分装系统

　　本系统由微机控制称重传感器的称重和比较，并输出控制信号，执行定值称量，控制外部给料系统的运转，实行自动称量和快速分装的任务。

　　系统采用MCS-51单片机和V/F电压频率变换器等电子器件，其硬件电路框图如图1所示，用8031作为中央处理器，BCD拔码盘作为定值设定输入器，物料装在料斗里，其重量使传感器弹性体发生变形，输出与重量成正比的电信号，传感器输出信号经放大器放大后，输入V/F转换器进行A/D转换，转换成的频率信号直接送入8031微处理器中，其数字量由微机进行处理。微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路，显示出瞬时物重，另一方面则进行称重比较，开启和关闭加料口、放料于箱中等一系列的称重定值控制。

　　图1 原理框图

　　在整个定值分装控制系统中，称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件，选用GYL-3应变式称重测力传感器。四片电阻应变片构成全桥桥路，在所加桥压U不变的情况下，传感器输出信号与作用在传感器上的重力和供桥桥压成正比，而且，供桥桥压U的变化直接影响电子称的测量精度，所以要求桥压很稳定。毫伏级的传感器输出经放大后，变成了0-10V的电压信号输出，送入V/F变换器进行A/D转换，其输出端输出的频率信号加到单片机8031定时器1的计数、输入端T1上。在微机内部由定时器0作计数定时，定时器0的定时时间由要求的A/D转换分辩率设定。定时器1的计数值反映了测量电压大小即物料的重量。在显示的同时，计算机还根据设定值与测量值进行定值判断。测量值与给定值进行比较，取差值提供PID运算，当重量不足，则继续送料和显示测量值。一旦重量相等或大于给定值，控制接口输出控制信号，控制外部给料设备停止送料，显示测量终值，然后发出回答令，表示该袋装料结束，可进行下袋的装料称重。

　　图2 自动称重和装料装置

　　图2所示为自动称重和装料装置。每个装料的箱子或袋子沿传送带运动，直到装有料的电子称下面，传送带停止运动，电磁线圈2通电，电子称料斗翻转，使料全部倒入箱子或袋子中，当料倒完，传送带马达再次通电，将装满料的箱子或袋子移出，并保护传送带继续运行，直到下一次空袋或空箱切断光电传感器的光源，与此同时，电子称料箱复位，电磁线圈1通电，漏斗给电子秤自动加料，重量由微机控制，当电子秤中的料与给定值相等时，电磁线圈1断电，弹簧力使漏斗门关上。装料系统开始下一个装料的循环。当漏斗中的料和传送带上的箱子足够多时，这个过程可以持续不断地进行下去。必要时，*作人员可以随时停止传送带，通过拔码盘输入不同的给定值，然后再启动，即可改变箱或袋中的重量。本系统选用不同的传感器，改变称重范围，则可以用到水泥、食糖、面粉加工等行业的自动包装中。

　　2．传感器在商用电子秤中的应用

　　目前，商用电子计价秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆称和机械案秤。电子计价秤在秤台结构上有一个显着的特点：一个相当大的秤台，只在中间装置一个专门设计的传感器来承担物料的全部重

　　图3 计价秤内部结构示意图

　　量，如图3所示。常用的电子计价秤传感器的结构如图4所示，其中图4（a）为双连椭圆孔弹性体，秤盘用悬臂梁端部上平面的两个螺孔紧固；图4（b）为梅花型四连孔弹性体，秤盘用悬臂梁端部侧面的三个螺孔坚固，中间支杆上粘贴补偿用的应变片。这两种形式的传感器，在计价秤中用得最多。图4（c）为三梁式弯曲弹性体，采样弯曲应力，对重量反应敏感，宜用来制作小称量计价秤。图4（d）为三梁式剪切弹性体，采样中间敏感梁的剪切应力，宜用来制作几百公斤称量范围计价秤。

　　图4 计价秤用弹性体结构

　　用这些复梁型高精度传感器来支承一个大的称重平台，被称重物又可能放置在任何称台的任意位置上，必然会产生四角示值误差，对图4（a），（b）两种结构形式的传感器，可通过锉磨的形式进行角差修正。对图4(c)，(d)，它有上下两根局部削弱的柔性辅助梁，使传感器对侧向力、横向力和扭转力矩具有很强的抵抗能力，可以通过锉磨辅助梁的柔性部位来调整传感器的灵敏系数和四角误差。图5为一种商用电子计价秤的电路框图。传感器采用的是图4（b）所示的梅花型四连孔结构，该秤具有置零、自动清除单价、零位自动跟踪、自动去皮、次数累计和金额累计、打印输出等功能，7段绿色荧光数码管显示，使用十分方便。

　　图5 电子计价秤的电路框图

　　图6是采用CHBL3型号S型双连孔弹性体称重传感器制作的便携式家用电子手提秤的原理图，由称重传感器、放大电路、A/D转换和液晶显示四部分组成。图中，E为9V的叠层电池，R1-R4是称重传感器的4个电阻应变片，R5、R6与W1组成零点调整电路。当载荷为零时，调节RW1使液晶显示屏显示为零。A1，A2为双运放集成电路LM358中的两个单元电路，组成了一个对称的同相放大器，A/D转换器采用ICL7106双积分型A/D转换器，液晶显示采用3 1/2液晶显示片。该电子秤精度高，简单实用，携带方便。

　　称重传感器是一种高精度的传感器，必须按规定的规格使用。若不按规定的规格使用，不仅不能发挥称重的作用，而且容易损坏，尤其是不准超过负荷安全值使用。

　　图6 手提秤的电路框图

　　对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。在露天下使用传感器，还应考虑阳光直射产生的温度影响和风压的影响。

　　以上资料为国内目前称重传感器的基本情况。而目前较为先进的称重传感器（高频响，高精度，高量程）其工作原理及电气则有很大不同，比如，应用在水下的称重传感器就有天壤之别。

种类

　　称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

　　光电式传感器

　　包括光栅式和码盘式两种。

　　光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。

　　码盘式传感器的码盘（符号板）是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。

　　液压式传感器

　　在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。

　　电磁力式传感器

　　它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/2000～1 /60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。

　　电容式传感器

　　它利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d 的正比例关系工作。极板有两块，一块固定不动，另一块可移动。在承重台加载被测物时，板簧挠曲，两极板之间的距离发生变化，电路的振荡频率也随之变化。测出频率的变化即可求出承重台上被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/200～1/500。

　　磁极变形式传感器

　　铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形时，内部产生应力并引起导磁率变化，使绕在铁磁元件（磁极）两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力，进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。

　　振动式传感器

　　弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。

　　振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达 1/1000～1/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。

　　音叉式传感器的弹性元件是音叉。音叉端部固定有压电元件，它以音叉的固有频率振荡，并可测出振荡频率。当承重台上加有被测物时，音叉拉伸方向受力而固有频率增加，增加的程度与施加力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出重物施加于音叉上的力，进而求出重物质量。音叉式传感器耗电量小，计量准确度高达1/10000～1/200000，称量范围为500g～10kg。

　　陀螺仪式传感器

　　转子装在内框架中，以角速度ω绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴 Y 倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z 旋转。转子轴 (X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动（进动）。进动角速度ω与外力P/2成正比，通过检测频率的方法测出ω，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。

　　陀螺仪式传感器响应时间快(5秒)，无滞后现象，温度特性好（3ppm）， 振动影响小， 频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/30000～1/60000)。

　　电阻应变式传感器

　　利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作（图11）。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。

　　电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。

参数

　　一、用分项指标表示法 在介绍称重传感器技术参数时，传统的方法是采用分项指标，其优点是物理意义明确，沿用多年，熟悉的人较多。我们现在列出其主要项目如下：*额定容量 生产厂家给出的称量范围的上限值。

　　*额定输出（灵敏度）

　　加额定载荷时和无载荷时，传感器输出信号的差值。由于称重传感器的输出信号与所加的激励电压有关，所以额定输出的单位以mV/V来表示。并称之为灵敏度。

　　*灵敏度允差

　　传感器的实际稳定输出与对应的标称额定输出之差对该标称额定输出的百分比。例如，某称重传感器的实际额定输出为2.002mV/V，与之相适应的标准额定输出则为2mV/V，则其灵敏度允差为：（（2．002 – 2。000）/2.000）*100[%] = 0.1[%]

　　*非线性

　　由空载荷的输出值和额定载荷时输出值所决定的直线和增加负荷之实测曲线之间偏差对于额定输出值的百分比。

　　*滞后允差

　　从无载荷逐渐加载到额定载荷然后再逐渐卸载。在同一载荷点上加载和卸载输出量的差值对额定输出值的百分比。

　　*重复性误差

　　在相同的环境条件下，对传感器反复加荷到额定载荷并卸载。加荷过程中同一负荷点上输出值的差值对额定输出的百分比。

　　*蠕变

　　在负荷不变（一般取为额定载荷），其它测试条件也保持不变的情形下，称重传感器输出随时间的变化量对额定输出的百分比。

　　*零点输出

　　在推荐电压激励下，未加载荷时传感器的输出值对额定输出的百分比。

　　*绝缘阻抗

　　传感器的电路和弹性体之间的直流阻抗值。

　　*输入阻抗

　　信号输出端开路，传感器未加负荷时，从电源激励输入端测得的阻抗值。

　　*输出阻抗

　　电源激励输入端短路，传感器未加载荷时，从信号输出端测得的阻抗。

　　*温度补偿范围

　　在此温度范围内，传感器的额定输出和零平衡均经过严密补偿，从而不会超出规定的范围。

　　*零点温度影响

　　环境温度的变化引起的零平衡变化。一般以温度每变化10K时，引起的零平衡变化量对额定输出的百分比来表示。

　　*额定输出温度影响

　　环境温度的变化引起的额定输出变化。一般以温度每变化10K引起额定定输出的变化量额定输出的百分比来表示。

　　*使用温度范围

　　传感器在此温度范围内使用其任何性能参数均不会产生性有害变化

　　二、在《OIML60号国际建议》中采用的术语。 以《OIML60号国际建议》９２年版为基础，参考《JJG669--90称重传感器检定规程》新的技术参数大致有：

　　*称重传感器输出

　　被测量（质量）通过称重传感器转换而得到的可测量。

　　*称重传感器分度值

　　称重传感器的测量范围被等分后其中一份的大小。

　　*称重传感器检定分度值（V）

　　为了准确度分级，在称重传感器测试中采用的，以质量单位表达的称重传感器分度值。

　　*称重传感器最小检定分度值（Vmin）

　　称重传感器测量范围可以被分度的最小检定分度值勤。

　　*最小静负荷（Fsmin）

　　可以施加于称重传感器而不会超出允许误差的质量的最小值。

　　*称量

　　可以施加于称重传感器而不会超出允许误差的质量的值。

　　*非线性（L）

　　称重传感器进程校准曲线与理论直线的偏差。

　　*滞后误差（H）

　　施加同一级负荷时称重传感器输出读数之间的差值；其中一次是由最小静负荷开始的进程读数，另一次是由称量开始的回程读数。

　　*蠕变（Cp）

　　在负荷不变，所有环境条件和其它变量也保持不变的情况下，称重传感器满负荷输出随时间的变化。

　　*最小静负荷输出恢复植（CrFsmin）

　　负荷施加前，后测得的称重传感器最小静负荷输出之间的差值。

　　*重复性误差（R）

　　在相同的负荷和相同的环境条件下，使连续数次进行实验所得的称重传感器输出读数之间的差值。

　　*温度对最小静负荷输出的影响（Fsmin）

　　由于环境温度变化而引起的最小静负荷输出之间的变化。

　　*温度对输出灵敏度的影响（St）

　　由于环境温度变化而引起的输出灵敏度的变化。

　　*称重传感器测量范围

　　被测量（质量）值范围，测量结果在此范围内不会超出允许误差。

　　*安全极限负荷

　　可以施加于称重传感器的负荷，此时称重传感器在性能特征上，不会产生超出规定值的性漂移。

　　*温湿度对最小静负荷输出影响（FsminH）

　　由于温湿度变化而引起的最小静负荷输出的变化。

　　*温湿度对输出灵敏度的影响

　　由于温湿度变化而引起的输出灵敏度的变化。

　　此外，在《JJG699—90称重传感器检定规程》中，还列出了一个技术参数，即

　　*最小负荷（Fmin）

　　力发生装置能达到的最接近称重传感器最小静负荷的质量值。

　　正是因为传感器测量时，总要在测力机上进行，而又很难直接测量最小静负荷点性能。再要说明一点，《OIML60号国际建议》是专门为称重传感器而制定的，它对称重传感器的*定的出发点就是要适应衡器的要求。当传感器用于其它目的时，这种*估方式不一定最合适。

更换

　　１．称重传感器随着额定载荷的增大，其输出的微伏／分度信号是减小的，而不是随着额定载荷的增大，输出信号也增大。这一点往往被忽略。所以在更换传感器时，应尽可能用和原来一样载荷的传感器。若想更换载荷稍大一点的，就要注意电子秤的称重显示仪表量程是否可调：如果是不可调的旧式显示仪表，会因为换成载荷较大的传感器，输出的微伏／分度信号变小，不能满量程输出、显示，拨码调整达不到目的而不能使用；如果是量程可调的称重显示仪表（如托利多８１４０系列），换成载荷较大的传感器后，则可通过设定量程，按说明书调试使用。同时应注意，如果传感器的额定载荷过大，输出的微伏／分度信号过小，容易降低秤的灵敏度。

　　２对于在第二传力联杆（即传力杠杆与第二传力杠杆之间的联杆）中安装Ｓ形传感器的机电结合秤，应注意：重新安装传感器后的联杆长度与原来的联杆长度一致。从另一方面说，就是要保证传力杠杆水平且联杆与传力杠杆垂直成９０度角。如果有偏差，将直接影响秤的准确度和灵敏度。联杆长度过长，将会出现“秤大”现象；过短，将会出现“秤小”现象。此时还应注意，联杆必须处于自由悬挂状态，不可与其它物体摩擦，以免影响秤的灵敏度。

　　３机电结合秤在更换传感器后的调试中，应在机械秤调试准确的基础上按称重显示仪表说明书进行。

　　４无论是电子秤或机电结合秤，在更换传感器后，都必须经过检定合格后方可使用。