稱重傳感器的原理及應(yīng)用選用 

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實(shí)現(xiàn)了對物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計(jì)測以及吊車秤、汽車秤等計(jì)測控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動檢測和粉粒體進(jìn)料量控制等，都應(yīng)用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運(yùn)用到了所有的稱重領(lǐng)域。

1．高速定量分裝系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)由微機(jī)控制稱重傳感器的稱重和比較，并輸出控制信號，執(zhí)行定值稱量，控制外部給料系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)行自動稱量和快速分裝的任務(wù)。

　　在整個定值分裝控制系統(tǒng)中，稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關(guān)鍵部件，選用應(yīng)變式稱重測力傳感器。四片電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比，而且，供橋橋壓U的變化直接影響電子稱的測量精度，所以要求橋壓很穩(wěn)定。毫伏級的傳感器輸出經(jīng)放大后，變成了0-10V的電壓信號輸出，送入V/F變換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其計(jì)數(shù)值反映了測量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時，計(jì)算機(jī)還根據(jù)設(shè)定值與測量值進(jìn)行定值判斷。測量值與給定值進(jìn)行比較，取差值提供PID運(yùn)算，當(dāng)重量不足，則繼續(xù)送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值，控制接口輸出控制信號，控制外部給料設(shè)備停止送料，顯示測量終值，然后發(fā)出回答令，表示該袋裝料結(jié)束，可進(jìn)行下袋的裝料稱重。

　　自動稱重和裝料裝置的每個裝料的箱子或袋子沿傳送帶運(yùn)動，直到裝有料的電子稱下面，傳送帶停止運(yùn)動，電磁線圈2通電，電子稱料斗翻轉(zhuǎn)，使料全部倒入箱子或袋子中，當(dāng)料倒完，傳送帶馬達(dá)再次通電，將裝滿料的箱子或袋子移出，并保護(hù)傳送帶繼續(xù)運(yùn)行，直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源，與此同時，電子稱料箱復(fù)位，電磁線圈1通電，漏斗給電子秤自動加料，重量由微機(jī)控制，當(dāng)電子秤中的料與給定值相等時，電磁線圈1斷電，彈簧力使漏斗門關(guān)上。裝料系統(tǒng)開始下一個裝料的循環(huán)。當(dāng)漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時，這個過程可以持續(xù)不斷地進(jìn)行下去。必要時，工作人員可以隨時停止傳送帶，通過拔碼盤輸入不同的給定值，然后再啟動，即可改變箱或袋中的重量。

　　本系統(tǒng)選用不同的傳感器，改變稱重范圍，則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業(yè)的自動包裝中。

2．傳感器在商用電子秤中的應(yīng)用

　　目前，商用電子計(jì)價(jià)秤的使用非常普及，逐漸會取代傳統(tǒng)的桿稱和機(jī)械案秤。電子計(jì)價(jià)秤在秤臺結(jié)構(gòu)上有一個顯著的特點(diǎn)：一個相當(dāng)大的秤臺，只在中間裝置一個專門設(shè)計(jì)的傳感器來承擔(dān)物料的全部重量。常用的電子計(jì)價(jià)秤傳感器的結(jié)構(gòu)為雙連橢圓孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部上平面的兩個螺孔緊固；另一種是梅花型四連孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部側(cè)面的三個螺孔堅(jiān)固，中間支桿上粘貼補(bǔ)償用的應(yīng)變片。這兩種形式的傳感器，在計(jì)價(jià)秤中用得最多。還有一種三梁式彎曲彈性體，采樣彎曲應(yīng)力，對重量反應(yīng)敏感，宜用來制作小稱量計(jì)價(jià)秤。

    采樣中間敏感梁的剪切應(yīng)力，宜用來制作幾百公斤稱量范圍計(jì)價(jià)秤。用這些復(fù)梁型高精度傳感器來支承一個大的稱重平臺，被稱重物又可能放置在任何稱臺的任意位置上，必然會產(chǎn)生四角示值誤差，可以通過銼磨輔助梁的柔性部位來調(diào)整傳感器的靈敏系數(shù)和四角誤差。

　　稱重傳感器是一種高精度的傳感器，必須按規(guī)定的規(guī)格使用。若不按規(guī)定的規(guī)格使用，不僅不能發(fā)揮稱重的作用，而且容易損壞，尤其是絕對不準(zhǔn)超過負(fù)荷安全值使用。

　　對于因溫度變化對橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動補(bǔ)償片，并從外部對它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過線性補(bǔ)償，也可得到改善。

　　滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。

　　在露天下使用傳感器，還應(yīng)考慮陽光直射產(chǎn)生的溫度影響和風(fēng)壓的影響。

　　環(huán)境給傳感器造成的影響主要有以下幾個方面：

    （1）高溫環(huán)境對傳感器造成涂覆材料熔化、焊點(diǎn)開化、彈性體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生結(jié)構(gòu)變化等問題。對于高溫環(huán)境下工作的傳感器常采用耐高溫傳感器；另外，必須加有隔熱、水冷或氣冷等裝置。

    （2）粉塵、潮濕對傳感器造成短路的影響。在此環(huán)境條件下應(yīng)選用密閉性很高的傳感器。不同的傳感器其密封的方式是不同的，其密閉性存在著很大差異。

    常見的密封有密封膠充填或涂覆；橡膠墊機(jī)械緊固密封；焊接（氬弧焊、等離子束焊）和抽真空充氮密封。

    從密封效果來看，焊接密封為最佳，充填涂覆密封膠為最差。對于室內(nèi)干凈、干燥環(huán)境下工作的傳感器，可選擇涂膠密封的傳感器，而對于一些在潮濕、粉塵性較高的環(huán)境下工作的傳感器，應(yīng)選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器。

    （3）在腐蝕性較高的環(huán)境下，如潮濕、酸性對傳感器造成彈性體受損或產(chǎn)生短路等影響，應(yīng)選擇外表面進(jìn)行過噴塑或不銹鋼外罩，抗腐蝕性能好且密閉性好的傳感器。

    （4）電磁場對傳感器輸出紊亂信號的影響。在此情況下，應(yīng)對傳感器的屏蔽性進(jìn)行嚴(yán)格檢查，看其是否具有良好的抗電磁能力。

    （5）易燃、易爆不僅對傳感器造成徹底性的損害，而且還給其它設(shè)備和人身安全造成很大的威脅。因此，在易燃、易爆環(huán)境下工作的傳感器對防爆性能提出了更高的要求：在易燃、易爆環(huán)境下必須選用防爆傳感器，這種傳感器的密封外罩不僅要考慮其密閉性，還要考慮到防爆強(qiáng)度，以及電纜線引出頭的防水、防潮、防爆性等。

對傳感器數(shù)量和量程的選擇:

    傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)電子衡器的用途、秤體需要支撐的點(diǎn)數(shù)（支撐點(diǎn)數(shù)應(yīng)根據(jù)使秤體幾何重心和實(shí)際重心重合的原則而確定）而定。一般來說，秤體有幾個支撐點(diǎn)就選用幾只傳感器，但是對于一些特殊的秤體如電子吊鉤秤就只能采用一個傳感器，一些機(jī)電結(jié)合秤就應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來確定選用傳感器的個數(shù)。

    傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動載等因素綜合評價(jià)來確定。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實(shí)際使用時，由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的因素，保證傳感器的安全和壽命。

    傳感器量程的計(jì)算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)而確定的。

    公式如下：

    C＝K-0K-1K-2K-3(Wmax＋W)/N

     C—單個傳感器的額定量程

     W—秤體自重

     Wmax—被稱物體凈重的最大值

     N—秤體所采用支撐點(diǎn)的數(shù)量

     K-0—保險(xiǎn)系數(shù)，一般取值在1.2～1.3之間

     K-1—沖擊系數(shù)

     K-2—秤體的重心偏移系數(shù)

     K-3—風(fēng)壓系數(shù)

    例如：一臺30t電子汽車衡，最大稱量是30t，秤體自重為1.9t，采用四只傳感器，根據(jù)當(dāng)時的實(shí)際情況，選取保險(xiǎn)系數(shù)K-0＝1.25，沖擊系數(shù)K-1＝1.18，重心偏移系數(shù)K-2—＝1.03，風(fēng)壓系數(shù)K-3＝1.02，試確定傳感器的噸位。

    解：根據(jù)傳感器量程計(jì)算公式：

    C＝K-0K-1K-2K-3（Wmax＋W）/N

    可知：

    C＝1.25×1.18×1.03×1.02×（30＋1.9）／4

     ＝12.36t

    因此，可選用量程為15t的傳感器（傳感器的噸位一般只有10T、15T、20t、25t、30t、40t、50t等，除非特殊訂做）。

    根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般應(yīng)使傳感器工作在其30%～70%量程內(nèi)，但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的衡器，如動態(tài)軌道衡、動態(tài)汽車衡、鋼材秤等，在選用傳感器時，一般要擴(kuò)大其量程，使傳感器工作在其量程的20%～30%之內(nèi)，使傳感器的稱量儲備量增大，以保證傳感器的使用安全和壽命。

要考慮各種類型傳感器的適用范圍：

    傳感器的準(zhǔn)確度等級包括傳感器的非線形、蠕變、蠕變恢復(fù)、滯后、重復(fù)性、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)。在選用傳感器的時候，不要單純追求高等級的傳感器，而既要考慮滿足電子秤的準(zhǔn)確度要求，又要考慮其成本。

    對傳感器等級的選擇必須滿足下列兩個條件：

    1. 滿足儀表輸入的要求。稱重顯示儀表是對傳感器的輸出信號經(jīng)過放大、A／D轉(zhuǎn)換等處理之后顯示稱量結(jié)果的。因此，傳感器的輸出信號必須大于或等于儀表要求的輸入信號大小，即將傳感器的輸出靈敏度代人傳感器和儀表的匹配公式，計(jì)算結(jié)果須大于或等于儀表要求的輸入靈敏度。

    傳感器和儀表的匹配公式：

    傳感器輸出靈敏度*激勵電源電壓*秤的最大稱量

    秤的分度數(shù)*傳感器的個數(shù)*傳感器量程

    例如：一稱量為25kg的定量包裝秤，最大分度數(shù)為1000個分度；秤體采用3只L—BE—25型傳感器，量程為25kg，靈敏度為2.0±0.008mV／V，拱橋電壓力12V；秤采用AD4325儀表。問采用的傳感器能否與儀表匹配。

    解：經(jīng)查閱，AD4325儀表的輸入靈敏度為0.6μV／d，因此根據(jù)傳感器和儀表的匹配公式可得儀表的實(shí)際輸入信號為：2×12×25／1000×3×25＝8μV／d＞0.6μv／d，所以，采用的傳感器滿足儀表輸入靈敏度的要求，能夠與所選儀表匹配。

    2. 滿足整臺電子秤準(zhǔn)確度的要求。一臺電子秤主要是由秤體、傳感器、儀表三部分組成，在對傳感器準(zhǔn)確度選擇的時候，應(yīng)使傳感器的準(zhǔn)確度略高于理論計(jì)算值，因?yàn)槔碚撏艿娇陀^條件的限制，如秤體的強(qiáng)度差一點(diǎn)，儀表的性能不是很好、秤的工作環(huán)境比較惡劣等因素都直接影響到秤的準(zhǔn)確度要求，因此要從各方面提高要求，又要考慮經(jīng)濟(jì)效益，確保達(dá)到目的。