幾種常見(jiàn)地磅稱(chēng)重傳感器技術(shù)特性及應(yīng)用的介紹與分析

稱(chēng)重傳感器被稱(chēng)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(dòng)式、磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式9大類(lèi)稱(chēng)重傳感器，分別對(duì)其進(jìn)行了介紹和分析，有利于稱(chēng)重測(cè)力傳感技術(shù)工作者進(jìn)一步了解和掌握相關(guān)知識(shí)。

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(jì)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(gè)現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，如果沒(méi)有傳感器，就無(wú)法監(jiān)測(cè)與控制表征生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的各種參量，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器實(shí)際上是現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)。

稱(chēng)重傳感器被稱(chēng)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(chēng)重傳感器制作的地磅也已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱(chēng)量。特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度化的不斷提高，稱(chēng)重傳感器已成為過(guò)程控制中的一種必需的裝置。目前，稱(chēng)重傳感器幾乎運(yùn)用到了各行各業(yè)。

地磅稱(chēng)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(dòng)式、磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式9 大類(lèi)，以電阻應(yīng)變片式使用最廣。下面是幾種常用的地磅稱(chēng)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(chēng)重傳感器

以金屬材料為轉(zhuǎn)換元件的電阻應(yīng)變計(jì)，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(zhǎng)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(zhǎng)度（m）.

電阻應(yīng)變片式稱(chēng)重傳感器是基于這樣一個(gè)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（增大或減小），再經(jīng)過(guò)惠斯通電橋（如圖3所示）把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。

電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)量范圍為幾十克至數(shù)千噸，計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000～ 1/10000 ，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(diǎn)是準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍廣、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻響特性好能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化整體化和品種多樣化等。它的缺點(diǎn)是機(jī)械滯后、蠕變和零漂、應(yīng)變極限，對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線(xiàn)性、輸出信號(hào)較弱，但是可通過(guò)一定措施改進(jìn)。電阻應(yīng)變片式稱(chēng)重傳感器是稱(chēng)重傳感器中應(yīng)用最廣泛的，對(duì)其的特性研究也是最多的。

三、電磁力平衡稱(chēng)重傳感器

電磁力平衡傳感器的稱(chēng)重過(guò)程基于安培力實(shí)現(xiàn)。通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受到的作用力如圖 4所示。在導(dǎo)線(xiàn)上加上秤盤(pán)，秤盤(pán)及導(dǎo)線(xiàn)本身具備的重力方向朝下，而通電導(dǎo)線(xiàn)受到向上的電磁力，當(dāng)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流值達(dá)到某一值時(shí)，這兩個(gè)力互相平衡，此時(shí)傳感器就處于平衡狀態(tài)即可確定被測(cè)物體的重量。電磁力平衡傳感器依靠載流線(xiàn)圈在恒定直流磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電磁力與被測(cè)質(zhì)量的重力平衡，實(shí)現(xiàn)被測(cè)質(zhì)量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換。

電磁力平衡稱(chēng)重傳感器是一種高精度傳感器，精度可達(dá)1/2000～1/60000，但稱(chēng)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(chēng)量的常用傳感器。由于測(cè)量分辨率高、靈敏可靠、價(jià)格適宜，在精密質(zhì)量稱(chēng)量、化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)、加速度測(cè)量、水分檢測(cè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。為減小傳感器的體積，簡(jiǎn)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(chǎng)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(xiàng)相對(duì)成熟的專(zhuān)利技術(shù)，對(duì)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(chǎng)掌握這種技術(shù)。這種高精度的電子稱(chēng)重裝置由于其獨(dú)特的工作原理和工藝水平，精度非常高，主要用于高端市場(chǎng)。例如用高強(qiáng)度鋁合金材料通過(guò)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(guó)賽多利斯都有該項(xiàng)專(zhuān)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(gè)零部件融為一體。由于內(nèi)部無(wú)連接螺絲，從而大大提高其可靠性的同時(shí)，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(chēng)重傳感器

電容式稱(chēng)重傳感器是一種把被測(cè)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(gè)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(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)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(lèi)。極距變化型一般用來(lái)測(cè)量微小的線(xiàn)位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。

電容式稱(chēng)重傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、靈敏度高、過(guò)載能力強(qiáng)、耗電量少、造價(jià)低，準(zhǔn)確度一般為1/200 ～1/500，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線(xiàn)性，寄生電容和分布電容，對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大等。由于電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器無(wú)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(duì)稱(chēng)量精度要求不高或只為起到安全過(guò)載保護(hù)的作用時(shí)通常使用電容式稱(chēng)重傳感器具有一定優(yōu)勢(shì)，譬如煉鋼廠(chǎng)所使用的部分高溫吊鉤秤，此類(lèi)傳感器目前應(yīng)用非常稀少。

五、光電式稱(chēng)重傳感器

光電式傳感器包括光柵式和碼盤(pán)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(hào)。光柵有兩塊，一個(gè)光柵裝在表盤(pán)軸上可移動(dòng)，另一塊光柵固定。加載重量后，傳力杠桿帶動(dòng)使表盤(pán)軸旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)移動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，莫爾條紋也隨之移動(dòng)。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，計(jì)算移過(guò)的莫爾條紋數(shù)量，測(cè)出光柵轉(zhuǎn)動(dòng)角的大小，從而確定和讀出被測(cè)物質(zhì)量。

碼盤(pán)式傳感器的碼盤(pán)（符號(hào)板）是一塊裝在表盤(pán)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(guò)杠桿使表盤(pán)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤(pán)也轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。光電池透過(guò)碼盤(pán)接受光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電路進(jìn)行處理并得到測(cè)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(diǎn)，可用于惡劣的煤礦等工業(yè)環(huán)境，但是運(yùn)行速度低，不能滿(mǎn)足高速稱(chēng)重的要求。

近年來(lái)由于電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的技術(shù)日趨成熟，此類(lèi)傳感器已基本沒(méi)有再應(yīng)用，作為曾經(jīng)的一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品已經(jīng)完成其使命，幾乎退出市場(chǎng)。

六、液壓式稱(chēng)重傳感器

液壓式稱(chēng)重傳感器是指承受被測(cè)物重力作用時(shí)，液壓油壓力增大，增大的程度與物體重力成正比，測(cè)出壓力的增大值，就可得到被測(cè)物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，測(cè)量范圍大，但準(zhǔn)確度一般不到1/1000，有時(shí)甚至連1/100也不到。其目前主要應(yīng)用在對(duì)稱(chēng)量要求精度不高或安全過(guò)載保護(hù)方面的稱(chēng)重測(cè)力場(chǎng)合，譬如裝載機(jī)秤。

七、磁極變形式稱(chēng)重傳感器

磁極變形式稱(chēng)重傳感器鐵磁元件在被測(cè)物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，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(jí)線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓也隨之變化。測(cè)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(cè)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(chēng)量工作。幾乎在整個(gè)稱(chēng)重傳感器市場(chǎng)沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用。

八、振動(dòng)式稱(chēng)重傳感器

彈性元件受力后，其固有振動(dòng)頻率與作用力的平方根成正比，測(cè)出固有頻率的變化，即可求出被測(cè)物作用在彈性元件上的力，進(jìn)而求出其質(zhì)量。振動(dòng)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(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，V型弦絲的交點(diǎn)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(cè)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(chēng)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(jià)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(cè)出振蕩頻率。當(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，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(cè)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(jì)量準(zhǔn)確度高達(dá)1/10000～1/200000，稱(chēng)量范圍為500g～10kg.

九、陀螺儀式稱(chēng)重傳感器

從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)鋼體，剛體上有一個(gè)方向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。更確切說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱(chēng)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(dòng)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(dòng)方法來(lái)使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見(jiàn)其轉(zhuǎn)速近似為常值）。

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

3.附件（是指力矩馬達(dá)、信號(hào)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(dòng)，外框架經(jīng)萬(wàn)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(shí)保持水平狀態(tài)，轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)角速度與外力P/2成正比，通過(guò)檢測(cè)頻率的方法測(cè)出W，即可求出外力大小，進(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測(cè)物的質(zhì)量。

陀螺儀式傳感器響應(yīng)時(shí)間快（5秒），無(wú)滯后現(xiàn)象，溫度特性好，振動(dòng)影響小，頻率測(cè)量準(zhǔn)確精度高，故可得到高的分辨率（1/100000）和高的計(jì)量準(zhǔn)確度（1/30000～1/60000）。

十、光纖光柵式稱(chēng)重傳感器

光纖光柵式稱(chēng)重傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。

光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提。通過(guò)一定的技術(shù)來(lái)測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)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(guò)確定兩個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用2個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)變。

實(shí)驗(yàn)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(mǎn)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(shí)候，光纖光柵BRAGG波長(zhǎng)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(lái)測(cè)量力的變化。

光纖光柵式稱(chēng)重傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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?hào)不受電磁干擾的影響。

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(wú)需電源驅(qū)動(dòng)，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.傳輸損耗小：可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。

6.傳輸容量大：可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。

7.測(cè)量范圍廣：可測(cè)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(chēng)重傳感器大多還處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，國(guó)內(nèi)外在這方面都有報(bào)道，德國(guó)HBM公司已經(jīng)擁有基于光纖光柵的光學(xué)應(yīng)變計(jì)，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(chē)輛測(cè)試。