稱重傳感器基礎常識

稱重傳感器基礎常識

      
傳感器的定義

    人們通常把被測物理量或化學量轉變成為電量的器件或元件叫傳感器（又稱變換器）。其中平時接觸較多物理量就有溫度、濕度、質量、重量、力、壓強、速度、加速度、長度、角度、液位、流量、密度等，與此相以對應，生產和生活中就需要溫度傳感器、濕度傳感器、稱重測力傳感器、壓強傳感器等等。

電阻應變式稱重測力傳感器

1.     稱重傳感器的定義：

一種已考慮到使用當地的重力加速度和空氣浮力影響的用來測量質量的傳感器。稱重傳感器能把被測質量轉換成電壓信號。有各種各樣的稱重傳感器，例電容式稱重傳感器；電磁平衡式傳感器，有壓電式稱重傳感器等等。

2.     箔式電阻應變片

一種基于應變——電阻效應制成的，用金屬箔作為敏感柵的，能把被測試件的應變量轉換成電阻變化量的敏感元件稱為箔式電阻應變片。

3.     應變式稱重傳感器

采用電阻應變片作為敏感元件制造生產的稱重傳感器叫應變式稱重傳感器。

4.     應變式測力傳感器

采用電阻應變片作為敏感元件制造生產的能把各種力學量轉換為電量的傳感器叫測力傳感器。例拉力、壓力、壓強、扭拒、加速度等傳感器。

5.     應變式稱重測力傳感器與測力傳感器之間的關系

從理論上說，質量表征實體的一種性質，，其測量單位是千克，而力學量是一種向量，測量單位是牛頓及其它導出量，彼此毫無關系。但由于質量不能直接測量，質量是利用質量在地球重力場中的力效應（重量）來測量的，所以從測量技術而論它們彼此是同類的。

負荷特性

額定量程：一只傳感器的額定量程是指在設計此傳感器在設計此傳感器時，是以多大的力值來計算的。但實際使用時，一般只用額定量程的2/3~1/3甚至只有1/6。（原因見下面分析）。

允許使用負荷（或稱安全超載）：允許在一定范圍內超負荷工作。一般為120%~150%；
極限負荷（或稱極限超載）：意即當工作超過此值時，傳感器將會受到損壞。此值一般為200%FS~500%FS。

當電子秤的量程確定后，傳感器的量程應選得比計算值要大，例6支30噸汽車秤，照均分計算，傳感器的量程應為5噸，但實際上我們用不著量程只有15~20噸，是計算值的3~5倍。這是有理同的：因為實際工作時的偏載，超載和沖擊是不可避免的。

還有一點要說明的是，量程與靈敏系數密切相關。當設計靈敏度為1mv/v時，在同等的結構條件下，它顯然比設計靈敏度為3mv/v的傳感器安全能力要大3倍。

技術參數

靈敏系數：   傳感器的靈敏系數國家標準有基本的規范：1mv/v、2mv/v、3mv/v。必須明確此參數。其靈敏敏系數必須一致。否則就無法匹配，精度最高都無法使用。此參數表征了傳感器的輸出特性。

非線性誤差：  這是表征此傳感器輸出的電壓信號與負荷之間對應關系的精確程度的參數。例最大量程為5噸的傳感器，在極端理想條件下，空輸出為零，滿負荷輸出為5000時，則在1噸時應輸出為1000，2噸時應輸出為2000，3噸時應輸出3000，4噸時應輸出4000。但事實上這樣的傳感器是不可能有的，它必然有誤差，此不一一對應的誤差，稱為非線性誤差。國標表達：在被試傳感器上順序施加不少于5級載荷，通常為0%、20%、40%、60%、80%、100%的額定載荷。并在每次施加載荷后測量每一測試點上傳感器上的輸出信號值。以上下兩行程為一個測量循環，通常共測3個循環。則傳感器的非線性（L）按下式計算：L=ΔθL/θn×100%   △ θL -- 同一試驗點上3次上行程實際輸出信號值的算術平均與平均端點直線之間的最大差值（mv）

重復性誤差：   重復性誤差表征傳感器在同一負荷在同樣條件下反復施加時，其輸出值是否能重復一致，這項特性更重要，更能反映傳感器的品質。國標對重復性的誤差的表述：重復性誤差可與非線性同時測定。傳感器的重復性誤差（R）按下式計算：R=ΔθR/θn×100%。
ΔθR -- 同一試驗點上3次測量的實際輸出信號值之間的最大差值（mv）。

滯后誤差：     滯后誤差的通俗意思是：逐級施加負荷再依次卸下負荷時，對應每一級負荷，理想情況下應有一樣的讀數，但事實上下一致，這不一致的程度用滯后誤差這一指標來表示。國標中是這樣來計算滯后誤差的：傳感器的滯后誤差（H）按下式計算：H=ΔθH/θn×100%。

ΔθH --同一試驗點上3次行程實際輸出信號值的算術平均與3次上行程實際輸出信號值的算術平均之間的最大差值（mv）。

蠕變和蠕變誤差： 要求從兩個方面檢驗傳感器的蠕變誤差：其一量蠕變：在5-10秒時間無沖擊地加上額定負荷，在加荷后5~10秒讀數，然后在30分鐘內按一定的時間性間隔依次記下輸出值。傳感器蠕變（CP）按下式計算： CP=θ2 - θ3/θn×100%。

其二是蠕變恢復：盡快去掉額定負荷（在5~10秒時間內），卸荷后在5~10秒內立即讀數，然后在30分鐘內按一定的時間間隔依次記下輸出值。傳感器的蠕變恢復（CR）按下式計算：

CR=θ5 - θ6 /θn×100%。

溫度特性：   允許使用溫度：規定了此傳感器能適用的場合。例常溫傳感器一般標注為：-20℃ --- +70℃。高溫傳感器標注為：-40℃ --- 250℃。

溫度補償范圍：說明此傳感器在生產時已在這樣的溫度范圍內進行了補償。例常溫傳感器一般標注為-10℃ - +55℃。

零點溫度影響（俗稱零點溫漂）：表征此傳感器在環境溫度變化時它的零點的穩定性。一般以每℃范圍內產生的漂移為計量單位。

輸出靈敏系數的溫度影響（俗稱系數溫漂）：此參數表征此傳感器在環境溫度變化時輸出靈敏度的穩定性。一般以每℃范圍內產生的漂移為計量單位。

電器特性：   輸出阻抗：當本公司傳感器與其它廠家傳感器并聯使用時，必須弄清該公司產品的輸出阻抗，此值必須與其一致，否則它會直接影響電子秤的輸出特征和四角誤差的調試。國內外應變式傳感器的輸出阻抗有一定的規范：一般為350歐、700歐、也有600歐（例菲利浦公司的傳感器）。

輸入阻抗：由于傳感器的輸入端彈模補償電阻和靈敏系數調整電阻，所以傳感器的輸入電阻都大于輸出電阻，但可通過并聯電阻方法使其變化。要求各傳感器的輸入阻抗一致，若與其它廠家的傳感器匹配。則應使輸入阻抗與其一致，否則在調試四角誤差時會增加工時，因為傳感器的輸入阻抗對穩壓電源而言是一個負載，只有負載一樣，同一穩壓電源才會提供一樣的電源電壓。

絕緣阻抗：這是傳感器的一個重要性能參數。絕緣阻抗相當于傳感器橋路與地之間串了一個阻值與其相當的的電阻，對這樣一個電路網絡進行計算，可證明絕緣電阻的大小會影響傳感器的各項性能。而當絕緣阻抗低于某一個值時，電橋將無法正常工作。

推薦激勵電壓：一般為5~10伏。因一般稱重儀表內配的穩壓電源為5或10伏。

允許最大激勵電壓：為了提高輸出電號，在某些情況下（例如大皮重）要求利用加大極激勵電壓的條件下來獲得較大的信號，此時可加大激勵電壓；應變片允許通過最大電流為25毫安，所以當橋路阻抗為350歐的傳感器，允許最大極力電壓為17伏，由于采用高品質的應變計，我們把最大激勵電壓定為20伏。而對于橋路阻抗為700歐的傳感器，允許最大激勵電壓還可高一倍。

其他特性：電纜長度，它與現場布局有關，定貨前必須看清楚公司產品的常規電纜長度。另外，注意環境是否有腐蝕性、是否有沖擊情況、是否高溫或低溫。

傳感器選用原則

現代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。

1)      根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型

要進行—個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。

在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。

2)      靈敏度的選擇

通常在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3)      頻率響應特性

傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態測量中，應根據信號的特點(穩態、瞬態、隨機等)響應特性，以免產生過火的誤差

4)      線性范圍

傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。

但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。

5)      穩定性

傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩定性。影響傳感器長期穩定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環境。因此，要使傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環境適應能力。

在選擇傳感器之前，應對其使用環境進行調查，并根據具體的使用環境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環境的影響。傳感器的穩定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩定性要求更嚴格，要能夠經受住長時間的考驗。

6)      精度

精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統測量精度的一個重要環節。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。

對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設計制造傳感器。自制傳感器的性能應滿足使用要求。

如何選用稱重傳感器

      
稱重傳感器被喻為電子衡器的神經系統，它的性能在很大程度上決定了電子衡器的準確度和穩定性。在設計電子衡器時，經常要遇到如何選用傳感器的問題。

如何選用傳感器

稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。用傳感器茵先要考慮傳感器所處的實際工作環境，這點對正確選用傳感器至關重要，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。

環境給傳感器造成的影響主要有以下幾個方面：

（1）高溫環境對傳感器造成涂覆材料熔化、焊點開化、彈性體內應力發生結構變化等問題。對于高溫環境下工作的傳感器常采用耐高溫傳感器；另外，必須加有隔熱、水冷或氣冷等裝置。
（2）粉塵、潮濕對傳感器造成短路的影響。在此環境條件下應選用密閉性很高的傳感器。不同的傳感器其密封的方式是不同的，其密閉性存在著很大差異。
常見的密封有密封膠充填或涂覆；橡膠墊機械緊固密封；焊接（氬弧焊、等離子束焊）和抽真空充氮密封。
從密封效果來看，焊接密封為最佳，充填涂覆密封膠為量差。對于室內干凈、干燥環境下工作的傳感器，可選擇涂膠密封的傳感器，而對于一些在潮濕、粉塵性較高的環境下工作的傳感器，應選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器。
（3）在腐蝕性較高的環境下，如潮濕、酸性對傳感器造成彈性體受損或產生短路等影響，應選擇外表面進行過噴塑或不銹鋼外罩，抗腐蝕性能好且密閉性好的傳感器。
（4）電磁場對傳感器輸出紊亂信號的影響。在此情況下，應對傳感器的屏蔽性進行嚴格檢查，看其是否具有良好的抗電磁能力。
（5）易燃、易爆不僅對傳感器造成徹底性的損害，而且還給其它設備和人身安全造成很大的威脅。因此，在易燃、易爆環境下工作的傳感器對防爆性能提出了更高的要求：在易燃、易爆環境下必須選用防爆傳感器，這種傳感器的密封外罩不僅要考慮其密閉性，還要考慮到防爆強度，以及電纜線引出頭的防水、防潮、防爆性等。

其次對傳感器數量和量程的選擇。

傳感器數量的選擇是根據電子衡器的用途、秤體需要支撐的點數（支撐點數應根據使秤體幾何重心和實際重心重合的原則而確定）而定。一般來說，秤體有幾個支撐點就選用幾只傳感器，但是對于一些特殊的秤體如電子吊鉤秤就只能采用一個傳感器，一些機電結合秤就應根據實際情況來確定選用傳感器的個數。
傳感器量程的選擇可依據秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體的自重、可能產生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但在實際使用時，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。
傳感器量程的計算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后，經過大量的實驗而確定的。
公式如下：
C＝K-0K-1K-2K-3(Wmax＋W)/N
C—單個傳感器的額定量程；W—秤體自重；Wmax—被稱物體凈重的最大值；N—秤體所采用支撐點的數量；K-0—保險系數，一般取值在1.2～1.3之間人；K-1—沖擊系數；K-2—秤體的重心偏移系數；K-3—風壓系數。
例如：一臺30t電子汽車衡，最大稱量是30t，秤體自重為1.9t，采用四只傳感器，根據當時的實際情況，選取保險系數K-0＝1.25，沖擊系數K-1＝1.18，重心偏移系數K-2—＝1.03，風壓系數K-3＝1.02，試確定傳感器的噸位。
解：根據傳感器量程計算公式：
C＝K-0K-1K-2K-3（Wmax＋W）/N
可知：

C＝1.25×1.18×1.03×1.02×（30＋1.9）／4
＝12.36t

因此，可選用量程為15t的傳感器（傳感器的噸位一般只有10T、15T、20t、25t、30t、40t、50t等，除非特殊訂做）。

根據經驗，一般應使傳感器工作在其30%～70%量程內，但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的衡器，如動態軌道衡、動態汽車衡、鋼材秤等，在選用傳感器時，一般要擴大其量程，使傳感器工作在其量程的20%～30%之內，使傳感器的稱量儲備量增大，以保證傳感器的使用安全和壽命。

再次，要考慮各種類型傳感器的適用范圍。

傳感器型式的選擇主要取決于稱量的類型和安裝空間，保證安裝合適，稱量安全可靠；另一方面，要考慮廠家的建議。廠家一般會根據傳感器的受力情況、性能指標、安裝形式、結構型式、彈性體的材質等特點規定傳感器的適用范圍，譬如鋁式懸臂梁傳感器適用于計價秤、平臺秤、案秤等；鋼式懸臂梁傳感器適用于料斗秤、電子皮帶秤、分選秤等；鋼質橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡、天車秤等；柱式傳感器適用于汽車衡、動態軌道衡、大噸位料斗秤等。

最后，還要對傳感器準確度等級進行選擇。

傳感器的準確度等級包括傳感器的非線形、蠕變、蠕變恢復、滯后、重復性、靈敏度等技術指標。在選用傳感器的時候，不要單純追求高等級的傳感器，而既要考慮滿足電子秤的準確度要求，又要考慮其成本。

對傳感器等級的選擇必須滿足下列兩個條件：

1.滿足儀表輸入的要求。稱重顯示儀表是對傳感器的輸出信號經過放大、A／D轉換等處理之后顯示稱量結果的。因此，傳感器的輸出信號必須大于或等于儀表要求的輸入情號大小，即將傳感器的輸出靈敏度代人傳感器和儀表的匹配公式，計算結須大于或等于儀表要求的輸入靈敏度。

傳感器和儀表的匹配公式：
傳感器輸出靈敏度*激勵電源電壓*秤的最大稱量
秤的分度數*傳感器的個數*傳感器量程

例如：一稱量為25kg的定量包裝秤，最大分度數為1000個分度；秤體采用3只L—BE—25型傳感器，量程為25kg，靈敏度為2.0±0.008mV／V，拱橋電壓力12V；秤采用AD4325儀表。問采用的傳感器能否與儀表匹配。
解：經查閱，AD4325儀表的輸入靈敏度為0.6μV／d，因此根據傳感器和儀表的匹配公式可得儀表的實際輸入信號為：2×12×25／1000×3×25＝8μV／d＞0.6μv／d
所以，采用的傳感器滿足儀表輸入靈敏度的要求，能夠與所選儀表匹配。

2.滿足整臺電子秤準確度的要求。一臺電子秤主要是由秤體、傳感器、儀表三部分組成，在對傳感器準確度選擇的時候，應使傳感器的準確度略高于理論計算值，因為理論往往受到客觀條件的限制，如秤體的強度差一點，儀表的性能不是很好、秤的工作環境比較惡劣等因素都直接影響到秤的準確度要求，因此要從各方面提高要求，又要考慮經濟效益，確保達到目的。