一篇文章帶你詳細了解稱重傳感器的種類以及應用
一、什么是稱重傳感器
稱重傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。在衡器上，它起著至關重要的作用，能夠?qū)⒆饔迷诒粶y物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計量的輸出信號。
用傳感器應先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對正確選用稱重傳感器至關重要，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。比如，在一些特殊的工作環(huán)境中，如高溫、高濕、高腐蝕、電磁場干擾等情況下，就需要選擇特定類型的稱重傳感器。例如，在高溫環(huán)境下應使用高溫稱重傳感器;在高濕度環(huán)境下，應選擇密封的稱重傳感器;在高度腐蝕的環(huán)境中，需要對傳感器的彈性體進行特殊處理，以實現(xiàn)耐腐蝕的性能;在電磁場干擾的環(huán)境中，必須嚴格檢查稱重傳感器的屏蔽性能，以確保其具有良好的抗電磁輻射能力。
稱重傳感器有多種樣式，主要有 S 型、懸臂型、輪輻式、板環(huán)式、膜盒式、橋式、柱筒式等。不同樣式的傳感器適用于不同的場景，例如，鋁合金懸臂梁傳感器適合于電子計價秤、平臺秤、案秤等;鋼式懸臂梁傳感器適用于電子皮帶秤、分選秤等;鋼質(zhì)橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡等;柱式傳感器適用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。
稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等 8 類，以電阻應變式使用最廣。不同類型的傳感器有著各自的特點和適用范圍，比如電容式傳感器耗電量少，造價低，動態(tài)響應快，可在惡劣環(huán)境下工作;電磁力式傳感器準確度高，但稱量范圍較小。
總之，正確考慮實際工作環(huán)境，選擇合適的稱重傳感器，對于保證衡器的正常運行和準確性至關重要。
二、稱重傳感器的工作原理
1. 電阻應變式惠斯通原理
稱重傳感器測量方式通常采用電阻應變式惠斯通原理。當傳感器受力后，其彈性體產(chǎn)生形變，應變片電阻值隨之發(fā)生變化。應變片固定在傳感器彈性體上，傳感器受力導致彈性體形變，正常情況下傳感器最大形變是 0.2mm，貼在傳感器上的彈形體應變片也會產(chǎn)生形變。受力越大，形變就越大，最大也是 0.2mm。由于應變片外部形狀的變化，其電阻值也會相應改變。左上角和右下角應變片被壓縮，電阻薄膜變短，阻值變小;右上角和左下角應變片被拉伸，電阻薄膜變長，阻值變大。對于每只稱重傳感器，至少 4 個應變片被連接在一起組成一個惠斯通電橋。當傳感器受力導致應變片電阻發(fā)生變化時，電橋不平衡。在激勵電壓不變的情況下，輸出信號的大小與傳感器受力成正比。
2. 不同類型傳感器原理差異
除了電阻應變式稱重傳感器外，還有多種不同類型的傳感器，它們的工作原理也各不相同。
電磁力式：利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡工作。電磁力稱重傳感器是一種利用電磁感應原理進行測量的裝置，主要由線圈、磁鐵和測量電路組成。當被測物體放置在傳感器上時，磁鐵與線圈之間的間隙會發(fā)生變化，從而改變線圈中的磁通量。根據(jù)法拉第電磁感應定律，線圈中會產(chǎn)生感應電勢。測量電路將感應電勢轉(zhuǎn)換為電信號輸出，實現(xiàn)被測物體的重量測量。電磁力稱重傳感器具有高精度、寬測量范圍、快速響應、抗干擾能力強、易于維護等特點，廣泛應用于包裝、冶金、制藥、食品等行業(yè)。
電容式：利用電容器振蕩電路的振蕩頻率與極板間距的正比例關系工作。電容式稱重傳感器是把被稱物體重量轉(zhuǎn)換為電容容量變化的一種傳感器，通常為差動變間距電容式稱重傳感器，采用調(diào)頻電路，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。當被稱重物差動改變電容的間距而使電容發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應變化，在鑒頻器上變換為振幅的變化，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成一個直流的高電平信號輸出，在稱重儀表顯示。電容式傳感器耗電量少，造價低，動態(tài)響應快，可在惡劣環(huán)境下工作。
三、稱重傳感器的分類
稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等 8 類，下面分別介紹各類的特點。
光電式：包括光柵式和碼盤式兩種。
光柵式傳感器利用光柵形成的莫爾條紋把角位移轉(zhuǎn)換成光電信號。通過光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，可計算出移過的莫爾條紋數(shù)量，測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小，從而確定和讀出被測物質(zhì)量。曾主要用在機電結(jié)合秤上。
碼盤式傳感器的碼盤是一塊裝在表盤軸上的透明玻璃，上面帶有按一定編碼方法編定的黑白相間的代碼。當承重臺上的被測物通過傳力杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時，碼盤也隨之轉(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后由電路進行數(shù)字處理，最后在顯示器上顯示出代表被測質(zhì)量的數(shù)字。
液壓式：在受被測物重力 P 作用時，液壓油的壓力增大，增大的程度與 P 成正比。測出壓力的增大值，即可確定被測物的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)簡單而牢固，測量范圍大，但準確度一般不超過 1/100.
電磁力式：利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡的原理工作。當承重臺上放有被測物時，杠桿的一端向上傾斜;光電件檢測出傾斜度信號，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測物質(zhì)量。準確度高，可達 1/2000～1/60000.但稱量范圍僅在幾十毫克至 10 千克之間。
電容式：利用電容器振蕩電路的振蕩頻率 f 與極板間距 d 的正比例關系工作。在承重臺加載被測物時，板簧撓曲，兩極板之間的距離發(fā)生變化，電路的振蕩頻率也隨之變化。測出頻率的變化即可求出承重臺上被測物的質(zhì)量。耗電量少，造價低，動態(tài)響應快，可在惡劣環(huán)境下工作，準確度為 1/200～1/500.
優(yōu)點：
高阻抗，小功率，僅需很低的輸入能量。
可獲得較大的變化量，從而具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
動態(tài)響應快，工作頻率可達幾兆赫，非接觸測量，被測物是導體或半導體均可。
結(jié)構(gòu)簡單，適應性強，可在高低溫、強輻射等惡劣的環(huán)境下工作，應用較廣。
缺點：
輸出阻抗高，負載能力差。電容式稱重傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制不易做得很大，一般為幾十到幾百微法，甚至只有幾個微法。因此，電容式稱重傳感器的輸出阻抗高，因而負載能力差，易受外界干擾影響產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作。必須采取妥善的屏蔽措施，從而給設計和使用帶來不便。
輸出特性非線性。電容式稱重傳感器的輸出特性是非線性的，雖采用差分型來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應所產(chǎn)生的附加電容量將于傳感器電容器直接疊加，使輸出特性非線性。
寄生電容影響大。電容式稱重傳感器的初始電容量小，而連接傳感器和電子線路的引線電容、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)板極與周圍導體構(gòu)成的電容等所謂寄生電容缺較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容常常是隨機變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。因此對電纜的選擇、安裝、接法都有嚴格的要求。
磁極變形式：鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機械變形時，內(nèi)部產(chǎn)生應力并引起導磁率變化，使繞在鐵磁元件(磁極)兩側(cè)的次級線圈的感應電壓也隨之變化。測量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力，進而確定被測物的質(zhì)量。準確度不高，一般為 1/100.適用于大噸位稱量工作，稱量范圍為幾十至幾萬千克。
振動式：彈性元件受力后，其固有振動頻率與作用力的平方根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出被測物作用在彈性元件上的力，進而求出其質(zhì)量。振動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。當承重臺上加有被測物時，V 形弦絲的交點被拉向下，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，即可求出被測物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準確度較高，可達 1/1000～1/10000.稱量范圍為 100 克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復雜，加工難度大，造價高。
音叉式傳感器的彈性元件是音叉。當承重臺上加有被測物時，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。測出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小，計量準確度高達 1/10000～1/200000.稱量范圍為 500g～10kg。
陀螺儀式：轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中，以角速度 ω 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。外框架經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機座聯(lián)接，并可繞垂直軸 Z 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸(X 軸)在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸 Z 轉(zhuǎn)動(進動)。進動角速度 ω 與外力 P/2 成正比，通過檢測頻率的方法測出 ω，即可求出外力大小，進而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。響應時間快(5 秒)，無滯后現(xiàn)象，溫度特性好(3ppm)，振動影響小，頻率測量準確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計量準確度(1/30000～1/60000)。
電阻應變式：利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜 4 部分組成。電阻應變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號輸出。電信號經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物的質(zhì)量。稱量范圍為 300g 至數(shù)千 kg，計量準確度達 1/1000～1/10000.結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。
四、如何選擇合適的稱重傳感器
1. 確定測量范圍
選擇合適的測量范圍至關重要。如果測量范圍選擇過小，當被測物重量超過傳感器的承受能力時，傳感器可能會因為超載而損壞;如果測量范圍選擇過大，可能無法準確測量實際重量，導致測量精度下降。因此，在選擇稱重傳感器時，需要根據(jù)實際需求，充分考慮被測物的最大重量和最小重量，選擇一個合適的測量范圍。
2. 確定精度要求
稱重傳感器的精度直接影響測量的準確性。不同規(guī)格的傳感器精度不同，價格也有很大差異。如果對測量精度要求較高，比如在一些需要高精度測量的場合，如實驗室、貴金屬行業(yè)等，可以選擇高精度的稱重傳感器。但高精度的傳感器價格相對較高。如果對價格較為敏感，或者在一些對精度要求不是特別高的場合，可以選擇中低精度的傳感器。在確定精度要求時，需要綜合考慮實際需求和成本因素。
3. 考慮環(huán)境因素
不同的環(huán)境對傳感器的要求也不同。例如，在潮濕的環(huán)境中，需要選擇密封性好的傳感器，以防止水分進入傳感器內(nèi)部，造成短路等問題。在高溫環(huán)境中，需要選擇耐高溫的傳感器，同時可能還需要加有隔熱、水冷或氣冷等裝置，以確保傳感器正常工作。在有腐蝕性的環(huán)境中，需要選擇防腐性能好的傳感器，如采用不銹鋼外殼或經(jīng)過特殊處理的傳感器。此外，還需要考慮振動、沖擊等因素對傳感器的影響，選擇具有相應抗振、抗沖擊性能的傳感器。
4. 比較性能參數(shù)
在確定了測量范圍、精度要求和環(huán)境因素后，需要比較不同傳感器的性能參數(shù)，選擇性能最優(yōu)的傳感器。主要的性能參數(shù)包括靈敏度、線性度、重復性、溫漂等。靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化對輸入量變化的比值，靈敏度越高，越能檢測到力的微小變化。線性度是指傳感器的輸出與輸入之間的線性關系程度，線性度越好，測量精度越高。重復性是指在相同載荷和環(huán)境條件下重復載荷的傳感器輸出讀數(shù)之間的一致性，重復性越好，測量結(jié)果越可靠。溫漂是指由于溫度變化引起的傳感器輸出的變化，溫漂越小，傳感器在不同溫度下的穩(wěn)定性越好。綜合考慮這些性能參數(shù)，選擇性能最優(yōu)的傳感器，以確保測量的準確性和穩(wěn)定性。
5. 參考專業(yè)人士意見
最后，建議在選擇稱重傳感器時咨詢專業(yè)人士的意見。專業(yè)人士可以根據(jù)實際需求和具體應用場景，給出更加專業(yè)的建議和方案。他們可以根據(jù)被測物的特點、工作環(huán)境、測量要求等因素，為你推薦合適的傳感器型號和品牌。同時，在安裝和使用傳感器時，也需要遵循專業(yè)人士的指導，確保測量的準確性和穩(wěn)定性。專業(yè)人士還可以提供關于傳感器的維護和保養(yǎng)建議，延長傳感器的使用壽命。
五、稱重傳感器的應用場景
1. 不同類型的應用場合
稱重傳感器有多種類型，不同類型適用于不同的應用場合。
S 型：主要用于飼料及配料稱重，通常在攪拌站使用。它采用合金鋼材質(zhì)，膠密封防護處理，安裝便捷，穩(wěn)定可靠。
橋式：橋式稱重傳感器適用于電子稱重設備，如汽車衡、灌裝秤、軸量秤、天車秤等。它采用雙剪切結(jié)構(gòu)設計，對加載點變化不敏感、抗偏載性能好、固有線性好、安裝方便、制造成本低，但重心較高、過載能力較差，大秤量的稱重傳感器難以達到高的準確度等級。例如，在電子稱重秤中，橋式重力傳感器被放置在秤臺下方，當有重物放置在秤臺上時，傳感器會檢測到重力的作用，并將形變轉(zhuǎn)換為電信號輸出，最終顯示在顯示屏上。此外，在重量檢測器和重量分選機中也有廣泛應用。
懸臂梁式：主要應用于單軌吊稱，結(jié)構(gòu)是懸臂剪切結(jié)構(gòu)，使用方便，精度高。其典型應用包括地秤，平臺秤，料斗秤，吊車秤，飛機稱重傳統(tǒng)的杠桿系統(tǒng)、規(guī)模的系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換等。它具有安裝方便、抗偏載能力突出、承壓附件有萬向節(jié)能準確傳送各方向力等優(yōu)點。
2. 注意事項
在選擇和使用稱重傳感器時，有以下幾個方面的注意事項：
穩(wěn)定性：傳感器在使用一段時間后性能保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定的因素除自身結(jié)構(gòu)外，主要是周圍使用環(huán)境。因此，要選擇具有較強環(huán)境適應能力的傳感器，或采取適當措施減少環(huán)境影響。在某些要求傳感器長期使用且不能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格。
最大測量值：選用傳感器量程時，要考慮諸多因素，保證傳感器的安全和壽命。根據(jù)實際測量需求，如測量機器人的不同性能，選擇合適量程的傳感器。
靈敏度：在傳感器線性范圍內(nèi)，靈敏度越高越好，但靈敏度高時外界噪聲也會被放大，影響測量精度。因此，傳感器應具有較高的信噪比，盡量減少外界干擾信號。
測量軸數(shù)量：傳感器精度越高價值越昂貴，應根據(jù)測量目的選擇滿足精度要求的傳感器，不必追求過高精度。對于多數(shù)項目，兩軸加速度傳感器已能滿足多數(shù)應用，特殊應用可選擇三軸加速度傳感器。
電阻 / 緩存機制：對于一些微控制進行 A/D 轉(zhuǎn)化，連接的傳感器阻值必須小于 10kΩ。在購買傳感器前，應仔細閱讀控制器手冊，確保傳感器能正常工作。
寬帶：寬帶指刷新率，即每秒鐘傳感器產(chǎn)生的讀數(shù)次數(shù)。一般測量傾角應用，50HZ 寬帶足夠，對于需要進行動態(tài)性能測量如震動，需要上百 HZ 寬帶的速度的稱重傳感器。
密克傳感器(深圳)有限公司是傳感器源頭生產(chǎn)廠家，致力于稱重傳感器的研發(fā)生產(chǎn)。產(chǎn)品達百余種，廣泛應用于各種工業(yè)自動化、機器人、化工、食品、冶金以及醫(yī)療等新型和智能化高端領域。按結(jié)構(gòu)分有輪輻式傳感器，S型傳感器，波紋管傳感器，法蘭盤傳感器，柱式傳感器，扭矩傳感器，平行梁傳感器，拉力傳感器等等，按功能應用場景分有試驗機專用傳感器，攪拌站傳感器，航車稱重傳感器，包裝機傳感器，壓裝機傳感器，皮帶秤傳感器，等等;價格美麗，可定制。
