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几种常见地磅称重传感器技术解析

引言

地磅是利用称量原理,确定物体的质量或作为质量函数的其它量值、数值、参数或特性的一种计量仪器,包括各种形式的天平和秤。天平通常是进行质量量值传递和精密称量用的高准确度或特种准确度的衡器;而秤则是生产过程或商业流通领域中直接称量用的普通准确度或中等准确度的衡器。

地磅的结构主要是由承重系统、传力转换系统 (即传感器)、示值系统(显示器)三大部分组成,其工作原理是以机械或电子的方式平衡被测物重力,通过传感器将力转换成可以检出的电信号并予以显示。称重传感器是电子衡器的关键部件,根据其工作原理,分为电阻应 变片式、电磁力平衡式、电容式、光电式、液压式、振动式、 磁极变形式、陀螺仪式、光纤光栅式等9大类。

1.电阻应变片式传感器

金属导体的电阻值可用下式表示:

R =p js(1)

式中:p—金属导体的电阻率(cm2/m);

S一导体的截面积(cm2);

L一导体的长度(m)。

电阻应变片式传感器是将应变片受力形变转换为电信号的敏感器件。电阻应变片通过特殊的黏合剂紧密粘合于基体上,当基体受力产生形变时,应变片同时发生形 变,从而使应变片的阻值发生改变,经惠斯顿电桥,如图 1所示,将电阻变化转化为电(电压或电流)信号,从而完 成了将外力变化为电信号的过程。

电阻应变片式传感器广泛应用于地磅中,其称量范围为几十克到数千吨,精度达1/1000 ~ 1/10000。其优点是准确度高、测量范围广、频响特性好、结构简单、易于实现小型化、整体化和品种多样化、能在恶劣条件下工作、寿命长;它的缺点是机械滞后、蠕变和零漂、应变极限、对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱,但可以通过一定措施改进。

2。电磁力平衡式传感器

电磁力平衡式传感器的称重过程基于安培力实现。如图2,在导线上加上秤盘,秤盘及导线本身具备的重力 方向朝下,而通电导线受到向上的电磁力,当通过导线的电流值达到某一值时,这两个力相互平衡,此时传感器就 处于平衡状态。在秤盘上加载重物后,向下的重力增加,秤盘自然就朝下移动,传感器就处于不平衡状态,如需要 再次达到平衡状态,就需要加大通过导线的电流,使得由电流产生的电磁力大小与加上物体后受到的重力相等,秤盘才恢复到平衡位置。电磁力平衡传感器依靠载流线圈在恒定直流磁场中产生的电磁力与被测质量的重力平衡,实现被测质量的电信号转换。

电磁力平衡传感器广泛用于电子分析天平,是精密质量称量的常用传感器,精度达1/2000 ~1/60000,称量 范围在几十毫克到十千克之间。其优点是测量分辨率 高、价格适宜,灵敏可靠、在精密质量称量、加速度测量、 化学反应监测、水分检测等领域被广泛应用。该技术的 缺点是对传感器的生产条件要求较高,目前世界上只有 为数不多的几家大厂掌握这种技术。

3.电容式传感器

电容式传感器是一种把被测的机械量,如压力、位移等转换为电容量变化的传感器。其敏感部件电容器通常由极间充满空气的两个平行电极组成,如图3所示。忽略边缘效应,平板电容器的电容为:

式中:s—极间介质的介电常数 4一两电极互相覆盖的有效面积 5—两电极间的距离S、A、e三个参数均可引起电容量变化,电容式传感器对应分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。

电容式传感器精度达1/200 ~ 1/500。其优点是灵敏度高、动态响应特性好、结构简单、价格便宜、过载能力强、耗电量少、造价低、对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强;其缺点是输出有非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大等。此类传感器目前应用十分稀少。

4.光电式传感器

光电式传感器包括光栅式和码盘式两种。

1)光栅式

光栅式传感器的工作原理是将光栅形成的莫尔条纹角位移转换成光电信号。有两块光栅,一块光栅装在表 盘轴上可移动,另一块光栅固定。加载重物后,在传力杠 杆带动下表盘轴旋转从而带动移动光栅转动,莫尔条纹 也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表,计算移过的莫尔条纹数量,测出光栅转动角的大小,从而确定和 读出被测物重量。

2)码盘式

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。加载物体后,通过杠杆使表盘轴旋转时,码盘 也转过一定角度。光电池透过码盘接受光信号并转换成 电信号,由电路进行处理并得到测量结果。

光电式传感器曾主要用于机电结合秤上。其优点是工作稳定、抗干扰能力强;缺点是运行速度低,不能满足高速称重要求。该类型传感器作为曾经的一个过渡产品已完成使命,几乎退出市场。

5.液压式传感器

液压式传感器利用液压油压力与所承受的被测物重力(质量)成正比,只要测出液压油压力的增大值,就可 得到被测物的质量。液压式传感器的精度一般不到1/1000,有时甚至连 1/100也不到。其优点是结构简单而牢固,测量范围大。

6.磁极变形式传感器

磁极变形式传感器的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磁导率变化,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精度不高,_般为1/100。

7.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。振弦式传感器精度较高,达1/1000 ~1/10000,称量范围在100克到几百千克;其缺点是结构复杂,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。音叉式传感器精度高达1/10000 ~1/ 200000,称量范围在500g到10kg之间。

8.陀螺仪式传感器

陀螺仪的基本部件有陀螺转子、内/外环、附件等,如 图4所示,转子装在内环中,以角速度《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。外环经万向联轴节与机座联接,并可绕垂直轴Z 旋转。转子轴X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F作用时,产生倾斜而绕垂直轴 Z转动(进动)。进动角速度《与外力F成正比,通过检测频率的方法测出即可求出外力大小,进而求出产生 此外力的被测物的质量。

陀螺仪式传感器精度高,达1/100000,另外,还具有响 应时间快,无滞后现象,温度特性好,振动影响小等优点。

9.光纤光栅式传感器

光纤光栅传感器的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息,是一种波长调制型光纤传感器。由于光纤光栅波长对温度与应变同时 敏感,因此,解决交叉敏感问题,实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提,通常可利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温 度与应变传感器,通过确定两个光纤光栅的温度与应变响 应灵敏度系数,利用两个二元一次方程解出温度和应变。

光纤光栅式传感器具有以下优点:抗电磁干扰;电绝缘性能好,安全可靠;耐腐蚀,化学性能稳定;体积小、重 量轻、几何形状可塑;传输损耗小,可实现远距离遥控监测;传输容量大,可实现多点分布式测量;传输范围广,可 测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位 等。就目前而言,光纤光栅式传感器大多还处于研究和 实验阶段。

10.结束语

电磁力平衡式传感器和电阻应变片式传感器发展相对成熟,前者主要用于高端市场如分析天平、精密天平、微量天平和超微量天平等,后者在电子天平和衡器中均有广泛应用;光电式传感器和磁极变形式传感器在性能方面缺乏优势,逐渐被市场淘汰;而振动式传感器和陀螺 仪式传感器虽然具有较高的精度,但由于其造价高昂而 并未被广泛使用。电容式称重传感器在许多超高温环境 对称量精度要求不高或只为起到安全过载保护作用时使 用具有一定优势,譬如炼钢厂使用的部分高温吊钩秤;液 压式传感器应用场合较少,目前主要应用在对称量要求 精度不高或安全过载保护方面的称重测力场合,譬如装 载机秤。虽然目前电磁力平衡式传感器和电阻应变片式 传感器在电子衡器中是主流,但它们受温度、气流、电磁干扰等环境影响较大,且传输容量小,未来光纤光栅式传感器的大力发展必将成为趋势。

 

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