一篇文章帶你詳細(xì)了解稱重傳感器的種類以及應(yīng)用

　　一、什么是稱重傳感器

　　稱重傳感器實(shí)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(guān)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(yīng)先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對正確選用稱重傳感器至關(guān)重要，它關(guān)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(yīng)使用高溫稱重傳感器;在高濕度環(huán)境下，應(yīng)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(jìn)行特殊處理，以實(shí)現(xiàn)耐腐蝕的性能;在電磁場干擾的環(huán)境中，必須嚴(yán)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(yīng)變式等 8 類，以電阻應(yīng)變式使用最廣。不同類型的傳感器有著各自的特點(diǎn)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(yīng)快，可在惡劣環(huán)境下工作;電磁力式傳感器準(zhǔn)確度高，但稱量范圍較小。

　　總之，正確考慮實(shí)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(yùn)行和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

　　二、稱重傳感器的工作原理

　　1. 電阻應(yīng)變式惠斯通原理

　　稱重傳感器測量方式通常采用電阻應(yīng)變式惠斯通原理。當(dāng)傳感器受力后，其彈性體產(chǎn)生形變，應(yīng)變片電阻值隨之發(fā)生變化。應(yīng)變片固定在傳感器彈性體上，傳感器受力導(dǎo)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(yīng)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(yīng)變片外部形狀的變化，其電阻值也會相應(yīng)改變。左上角和右下角應(yīng)變片被壓縮，電阻薄膜變短，阻值變小;右上角和左下角應(yīng)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(yīng)變片被連接在一起組成一個惠斯通電橋。當(dāng)傳感器受力導(dǎo)致應(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)原理進(jìn)行測量的裝置，主要由線圈、磁鐵和測量電路組成。當(dāng)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(yīng)定律，線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。測量電路將感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)換為電信號輸出，實(shí)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(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、易于維護(hù)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(guān)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(shí)際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變式等 8 類，下面分別介紹各類的特點(diǎn)。

　　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(jī)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(dāng)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(jìn)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(zhǔn)確度一般不超過 1/100.

　　電磁力式：利用承重臺上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作。當(dāng)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(fù)至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測物質(zhì)量。準(zhǔn)確度高，可達(dá) 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(guān)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(yīng)快，可在惡劣環(huán)境下工作，準(zhǔn)確度為 1/200～1/500.

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　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(yīng)快，工作頻率可達(dá)幾兆赫，非接觸測量，被測物是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可。

　　結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，可在高低溫、強(qiáng)輻射等惡劣的環(huán)境下工作，應(yīng)用較廣。

　　缺點(diǎn)：

　　輸出阻抗高，負(fù)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(fù)載能力差，易受外界干擾影響產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作。必須采取妥善的屏蔽措施，從而給設(shè)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(yīng)時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)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(dǎo)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(jī)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(yán)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(jī)械變形時，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)的次級線圈的感應(yīng)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(jìn)而確定被測物的質(zhì)量。準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)承重臺上加有被測物時，V 形弦絲的交點(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，造價高。

　　音叉式傳感器的彈性元件是音叉。當(dāng)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(jìn)而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小，計量準(zhǔn)確度高達(dá) 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(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(jìn)動)。進(jìn)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(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。響應(yīng)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(zhǔn)確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計量準(zhǔn)確度(1/30000～1/60000)。

　　電阻應(yīng)變式：利用電阻應(yīng)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(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜 4 部分組成。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻改變。測量電路測出應(yīng)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(zhǔn)確度達(dá) 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(guān)重要。如果測量范圍選擇過小，當(dāng)被測物重量超過傳感器的承受能力時，傳感器可能會因?yàn)槌d而損壞;如果測量范圍選擇過大，可能無法準(zhǔn)確測量實(shí)際重量，導(dǎo)致測量精度下降。因此，在選擇稱重傳感器時，需要根據(jù)實(shí)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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(yīng)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(fù)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(guān)系程度，線性度越好，測量精度越高。重復(fù)性是指在相同載荷和環(huán)境條件下重復(fù)載荷的傳感器輸出讀數(shù)之間的一致性，重復(fù)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(zhǔn)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(shí)際需求和具體應(yīng)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(diǎn)、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(dǎo)，確保測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。專業(yè)人士還可以提供關(guān)于傳感器的維護(hù)和保養(yǎng)建議，延長傳感器的使用壽命。

　　五、稱重傳感器的應(yīng)用場景

　　1. 不同類型的應(yīng)用場合

　　稱重傳感器有多種類型，不同類型適用于不同的應(yīng)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(hù)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(shè)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(shè)計，對加載點(diǎn)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(dá)到高的準(zhǔn)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(dāng)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(jī)中也有廣泛應(yīng)用。

　　懸臂梁式：主要應(yīng)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(yīng)用包括地秤，平臺秤，料斗秤，吊車秤，飛機(jī)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(zhǔn)確傳送各方向力等優(yōu)點(diǎn)。

　　2. 注意事項(xiàng)

　　在選擇和使用稱重傳感器時，有以下幾個方面的注意事項(xiàng)：

　　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(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力的傳感器，或采取適當(dāng)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(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)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(shí)際測量需求，如測量機(jī)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(yīng)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(yīng)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(xiàng)目，兩軸加速度傳感器已能滿足多數(shù)應(yīng)用，特殊應(yīng)用可選擇三軸加速度傳感器。

　　電阻 / 緩存機(jī)制：對于一些微控制進(jìn)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(yīng)仔細(xì)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(yīng)用，50HZ 寬帶足夠，對于需要進(jìn)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(dá)百余種，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化、機(jī)器人、化工、食品、冶金以及醫(yī)療等新型和智能化高端領(lǐng)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(yīng)用場景分有試驗(yàn)機(jī)專用傳感器，攪拌站傳感器，航車稱重傳感器，包裝機(jī)傳感器，壓裝機(jī)傳感器，皮帶秤傳感器，等等;價格美麗，可定制。