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你了解什么是称重传感器吗?

4月 6, 2015   //   by xldz   //   行业新闻  //  0 评论

  称重传感器的定义是什么?他的工作原理是什么?基本构成又有哪些?又有哪几类呢?接下来就简单的介绍。

  称重传感器是称重传感式衡器上使用的一种力传感器。电阻应变式称重传感器原理,它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响,称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。

  称重传感器 – 正文

  称重传感器[1] 衡器上使用的一种力传感器。电阻应变式称重传感器原理,它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响,称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。

  称重传感器 – 简介

  称重传感器在各种衡器和质量计量系统中,通常用综合误差带来综合控制传感器准确度,并将综合误差带与衡器误差带联系起来,以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织 (OIML)规定,传感器的误差带δ 占衡器误差带Δ 的70%,称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ 。这就允许制造厂对构成计量总误差的各个分量进行调整,从而获得期望的准确度。 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理:弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号 (电压或电流),从而完成了将外力变换为电信号的过程。

  由此可见,电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。设有一个金属电阻丝,其长度为L,横截面是半径为r的圆形,其面积记作S,其电阻率记作ρ,这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为R:R=ρL/S(Ω)(2—1) 当他的两端受F力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。设其伸长ΔL,其横截面积则缩小,即它的截面圆半径减少Δr。此外,还可用实验证明,此金属电阻丝在变形后,电阻率也会有所改变,记作Δρ。

  对式(2–1)求全微分,即求出电阻丝伸长后,电阻值改变了多少。我们有:ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2(2—2) 用式(2–1)去除式(2–2)得到ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S(2—3) 另外,知道导线的横截面积S=πr2,则Δs=2πr*Δr,所以ΔS/S=2Δr/r(2—4) Δr/r=-μΔL/L(2—5) 其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式(2—4)(2—5)代入(2–3),有ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L =(1+2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L =K*ΔL/L(2–6) 其中 K=1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L)(2–7) 式(2–6)说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长度相对变化)之间的关系。需要说明的是:灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,它和应变片的形状、尺寸大小无关,不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间;其次K值是一个无因次量,即它没有量纲。

  在材料力学中ΔL/L称作为应变,记作ε,用它来表示弹性往往显得太大,很不方便 常常把它的百万分之一作为单位,记作με。这样,式(2–6)常写作: ΔR/R=Kε(2—8)

  称重传感器 – 构成

  1、敏感元件

  直接感受被测量(质量)并输出与被测量有确定关系的其他量的元件。如电阻应变式称重传感器的弹性体,是将被测物体的质量转变为形变;电容式称重传感器的弹性体将被测的质量转变为位移。

  2、变换元件

  又称传感元件,是将敏感元件的输出转变为便于测量的信号。如电阻应变式称重传感器的电阻应变计(或称电阻应变片),将弹性体的形变转换为电阻量的变化;电容式称重传感器的电容器,将弹性体的位移转变为电容量的变化。有时某些元件兼有敏感元件和变换元件两者的职能。如电压式称重传感器的压电材料,在外载荷的作用下,在发生变形的同时输出电量。

  3、测量元件

  将变换元件的输出变换为电信号,为进一步传输、处理、显示、记录或控制提供方便。如电阻应变式称重传感器中的电桥电路,压电式称重传感器的电荷前置放大器。

  4、辅助电源

  为传感器的电信号输出提供能量。一般称重传感器均需外链电源才能工作。因此,作为一个产品必须标明供电的要求,但不作为称重传感器的组成部分。有些传感器,如磁电式速度传感器,由于他输出的能量较大,故不需要辅助电源也能正常工作。所以并非所有传感器都要有辅助电源。

  称重传感器 – 安装注意事项

  称重传感器安装时需要注意的问题;所谓称重传感器的安装条件,一方面是指称重传感器在安装特殊配件的边界条件,另一方面是指称重传感器在使用现场的安装条件,称重仪表根据与不同应用的客户研究分析,发现下列情况影响传感器或者说是整机的迟滞性,如表面状况、接触面积、安装扭力、螺栓强度以及一些细节上的处理等均会影响。

  托利多柱式称重传感器广州兰瑟电子提供[2]

  称重传感器安装表面状况:

  是指秤台与称重传感器的接触面的质量,如粗糙度,平行度等。表面过于粗糙,在长时间使用时会使紧固螺栓松动并影响性能。如果平行度偏大,加载后会使传感器产生不必要的分力,直接影响产品精度,同时也无法体现传感器的真实精度。如果安装的是料斗秤上的传感器,就要保持水平面的平衡。

  称重传感器安装接触面积:

  是指传感器与秤台固定的接触面积。不同公司的产品,安装要求也会不一样,例如美国Zemic称重传感器结构和工艺的不同,接触面的大小也是有些差别,所以在传感器的生产过程中必须加以确定,并同时在传感器的安装上严格按照使用说明书,以保证客户能按照最佳条件安装使用。

  称重传感器安装扭力:

  在接触面一定的条件下,安装扭力越大,迟滞性越小。同样的道理,如果将韩国BONGSHIN称重传感器安装在不同的设备上,安装扭力的大小也直接影响产品的真实精度。安装扭力的影响规律对不同结构的产品是不一样的。例如有的悬臂梁传感器,安装扭力在100Nm时,能得到最佳的迟滞性。扭力过大或过小,迟滞性都会变差。轮辐式传感器的迟滞性对安装扭力更为敏感,所以在使用压力传感器时一定要依照生产厂商的安装使用说明书进行安装,以保证产品质量。

  称重传感器安装螺栓强度:

  螺栓的强度影响与安装扭力是一样的,如果强度不足,在称重传感器产品安装使用一段时间之后,锁紧力则会变松,进而影响精度。

  称重传感器细节注意:

  1.传感器安装面与安装底座应保持水平,不偏斜。

  2.多称重传感器称量系统中相互安装面之间的水平差小于5mm,如果系统计量精度低的话(5/1000),还可以放宽。

  3.传感器安装面需保持平整、光洁,安装面上不能有胶膜、毛刺、尖点等。

  4.安装面底座要牢固并保持一定的厚度。

  5.安装面的底座面积应大于称重传感器安装面积。

  6.安装、更换传感器时,须选择合适的力矩扳手,调整至传感器所紧固的力矩要求。

  7.需要安装垫圈的传感器,则需在螺栓上套上垫圈方可安装。

  8.在紧固螺栓前,需涂抹少许黄油,防止螺栓生锈及拆装方便。

  9.严禁传感器电缆线在多称重传感器称量系统中,随意加长或剪短某一部分传感器电缆。

  10.在单称重传感器称量系统中,如安装条件允许,建议最好不要加长或剪断传感器电缆。

  11.电缆线接入接线盒后,每只传感器的信号线应连接在相应接线柱的位置上,严禁2根或2根以上的电缆信号线同时接在一个接线柱上。

  12.安装上下连接件时,必须与称重传感器保持垂直,不偏斜。

  13.纵、横向限位间隙,在安装、维护中,需按照称重设备安装指导书中规定进行调整。

  14.传感器接线完成后,对接线盒部分接线孔不用时,用堵头堵死加以密封,以免受潮进灰,接线盒上盖的紧固螺栓松动。

  称重传感器 – 选型原则

  称重传感器的量程选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体自重、可产生的最大偏载及动载因素综合评价来决定。一般来讲,传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷,其称量的准确度就越高。但是在实际的使用当中,由于加在传感器上的载荷除被称物体外,还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷,因此选用传感器时,要考虑诸多方面的因素,保证传感器的安全和寿命。其次称重传感器的准确度等级包括传感器的非线性、蠕变、重复性、滞后、灵敏度等技术指标。在选用的时候不应该盲目追求高等级的传感器,应该考虑电子衡的准确度等级和成本。一般情况下,选用传感器的总精度为非线性、不重复性和滞后三项指标的之和的均方根值略高于秤的精度。称重传感器形式的选择主要取决于称重的类型和安装空间,保证安装合适,称重安全可靠;另一方面要考虑厂家的建议。对于传感器制造厂家来讲,它一般规定了传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构形式、弹性体的材质等。[3]

  称重传感器 – 工作原理

  称重传感器将电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上,然后,以适当的方式组成电桥,从而将物体的质量转换成电信号。称重传感器主要有两部分组成,第一部分是弹性敏感元件,他将被测物体的压力质量转换为弹性体的应变值;第二部分是作为传感元件的电阻应变计,他将弹性体的应变同步的转换为电阻值的变化。 称重传感器是压力测量传感器,它常用于静态测量和动态测量,压缩形式,具有较好的精度。它的机械部分是由一整块的金属部分组成,所以这个基本的测量元件和它的外壳部分没有焊接过程,从而使尺寸更小,并且加强了保护等级,这种点部测量的结构,具有8个压力测量,减少因负载的不完善的应用带来的误差。并联的称重元件的典型应用是:贮藏箱 、加料斗、大的称重平台。 不锈钢结构适合于石油化学和化学工业中攻击性环境的应用。

  称重传感器 – 分类

  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,最后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。

  称重传感器电容式传感器

  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。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。

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