称重传感器基础常识

称重传感器基础常识

      
传感器的定义

    人们通常把被测物理量或化学量转变成为电量的器件或元件叫传感器（又称变换器）。其中平时接触较多物理量就有温度、湿度、质量、重量、力、压强、速度、加速度、长度、角度、液位、流量、密度等，与此相以对应，生产和生活中就需要温度传感器、湿度传感器、称重测力传感器、压强传感器等等。

电阻应变式称重测力传感器

1.     称重传感器的定义：

一种已考虑到使用当地的重力加速度和空气浮力影响的用来测量质量的传感器。称重传感器能把被测质量转换成电压信号。有各种各样的称重传感器，例电容式称重传感器；电磁平衡式传感器，有压电式称重传感器等等。

2.     箔式电阻应变片

一种基于应变——电阻效应制成的，用金属箔作为敏感栅的，能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件称为箔式电阻应变片。

3.     应变式称重传感器

采用电阻应变片作为敏感元件制造生产的称重传感器叫应变式称重传感器。

4.     应变式测力传感器

采用电阻应变片作为敏感元件制造生产的能把各种力学量转换为电量的传感器叫测力传感器。例拉力、压力、压强、扭拒、加速度等传感器。

5.     应变式称重测力传感器与测力传感器之间的关系

从理论上说，质量表征实体的一种性质，，其测量单位是千克，而力学量是一种向量，测量单位是牛顿及其它导出量，彼此毫无关系。但由于质量不能直接测量，质量是利用质量在地球重力场中的力效应（重量）来测量的，所以从测量技术而论它们彼此是同类的。

负荷特性

额定量程：一只传感器的额定量程是指在设计此传感器在设计此传感器时，是以多大的力值来计算的。但实际使用时，一般只用额定量程的2/3~1/3甚至只有1/6。（原因见下面分析）。

允许使用负荷（或称安全超载）：允许在一定范围内超负荷工作。一般为120%~150%；
极限负荷（或称极限超载）：意即当工作超过此值时，传感器将会受到损坏。此值一般为200%FS~500%FS。

当电子秤的量程确定后，传感器的量程应选得比计算值要大，例6支30吨汽车秤，照均分计算，传感器的量程应为5吨，但实际上我们用不着量程只有15~20吨，是计算值的3~5倍。这是有理同的：因为实际工作时的偏载，超载和冲击是不可避免的。

还有一点要说明的是，量程与灵敏系数密切相关。当设计灵敏度为1mv/v时，在同等的结构条件下，它显然比设计灵敏度为3mv/v的传感器安全能力要大3倍。

技术参数

灵敏系数：   传感器的灵敏系数国家标准有基本的规范：1mv/v、2mv/v、3mv/v。必须明确此参数。其灵敏敏系数必须一致。否则就无法匹配，精度最高都无法使用。此参数表征了传感器的输出特性。

非线性误差：  这是表征此传感器输出的电压信号与负荷之间对应关系的精确程度的参数。例最大量程为5吨的传感器，在极端理想条件下，空输出为零，满负荷输出为5000时，则在1吨时应输出为1000，2吨时应输出为2000，3吨时应输出3000，4吨时应输出4000。但事实上这样的传感器是不可能有的，它必然有误差，此不一一对应的误差，称为非线性误差。国标表达：在被试传感器上顺序施加不少于5级载荷，通常为0%、20%、40%、60%、80%、100%的额定载荷。并在每次施加载荷后测量每一测试点上传感器上的输出信号值。以上下两行程为一个测量循环，通常共测3个循环。则传感器的非线性（L）按下式计算：L=ΔθL/θn×100%   △ θL -- 同一试验点上3次上行程实际输出信号值的算术平均与平均端点直线之间的最大差值（mv）

重复性误差：   重复性误差表征传感器在同一负荷在同样条件下反复施加时，其输出值是否能重复一致，这项特性更重要，更能反映传感器的品质。国标对重复性的误差的表述：重复性误差可与非线性同时测定。传感器的重复性误差（R）按下式计算：R=ΔθR/θn×100%。
ΔθR -- 同一试验点上3次测量的实际输出信号值之间的最大差值（mv）。

滞后误差：     滞后误差的通俗意思是：逐级施加负荷再依次卸下负荷时，对应每一级负荷，理想情况下应有一样的读数，但事实上下一致，这不一致的程度用滞后误差这一指标来表示。国标中是这样来计算滞后误差的：传感器的滞后误差（H）按下式计算：H=ΔθH/θn×100%。

ΔθH --同一试验点上3次行程实际输出信号值的算术平均与3次上行程实际输出信号值的算术平均之间的最大差值（mv）。

蠕变和蠕变误差： 要求从两个方面检验传感器的蠕变误差：其一量蠕变：在5-10秒时间无冲击地加上额定负荷，在加荷后5~10秒读数，然后在30分钟内按一定的时间性间隔依次记下输出值。传感器蠕变（CP）按下式计算： CP=θ2 - θ3/θn×100%。

其二是蠕变恢复：尽快去掉额定负荷（在5~10秒时间内），卸荷后在5~10秒内立即读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。传感器的蠕变恢复（CR）按下式计算：

CR=θ5 - θ6 /θn×100%。

温度特性：   允许使用温度：规定了此传感器能适用的场合。例常温传感器一般标注为：-20℃ --- +70℃。高温传感器标注为：-40℃ --- 250℃。

温度补偿范围：说明此传感器在生产时已在这样的温度范围内进行了补偿。例常温传感器一般标注为-10℃ - +55℃。

零点温度影响（俗称零点温漂）：表征此传感器在环境温度变化时它的零点的稳定性。一般以每℃范围内产生的漂移为计量单位。

输出灵敏系数的温度影响（俗称系数温漂）：此参数表征此传感器在环境温度变化时输出灵敏度的稳定性。一般以每℃范围内产生的漂移为计量单位。

电器特性：   输出阻抗：当本公司传感器与其它厂家传感器并联使用时，必须弄清该公司产品的输出阻抗，此值必须与其一致，否则它会直接影响电子秤的输出特征和四角误差的调试。国内外应变式传感器的输出阻抗有一定的规范：一般为350欧、700欧、也有600欧（例菲利浦公司的传感器）。

输入阻抗：由于传感器的输入端弹模补偿电阻和灵敏系数调整电阻，所以传感器的输入电阻都大于输出电阻，但可通过并联电阻方法使其变化。要求各传感器的输入阻抗一致，若与其它厂家的传感器匹配。则应使输入阻抗与其一致，否则在调试四角误差时会增加工时，因为传感器的输入阻抗对稳压电源而言是一个负载，只有负载一样，同一稳压电源才会提供一样的电源电压。

绝缘阻抗：这是传感器的一个重要性能参数。绝缘阻抗相当于传感器桥路与地之间串了一个阻值与其相当的的电阻，对这样一个电路网络进行计算，可证明绝缘电阻的大小会影响传感器的各项性能。而当绝缘阻抗低于某一个值时，电桥将无法正常工作。

推荐激励电压：一般为5~10伏。因一般称重仪表内配的稳压电源为5或10伏。

允许最大激励电压：为了提高输出电号，在某些情况下（例如大皮重）要求利用加大极激励电压的条件下来获得较大的信号，此时可加大激励电压；应变片允许通过最大电流为25毫安，所以当桥路阻抗为350欧的传感器，允许最大极力电压为17伏，由于采用高品质的应变计，我们把最大激励电压定为20伏。而对于桥路阻抗为700欧的传感器，允许最大激励电压还可高一倍。

其他特性：电缆长度，它与现场布局有关，定货前必须看清楚公司产品的常规电缆长度。另外，注意环境是否有腐蚀性、是否有冲击情况、是否高温或低温。

传感器选用原则

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

1)      根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

2)      灵敏度的选择

通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3)      频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差

4)      线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

5)      稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

6)      精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

如何选用称重传感器

      
称重传感器被喻为电子衡器的神经系统，它的性能在很大程度上决定了电子衡器的准确度和稳定性。在设计电子衡器时，经常要遇到如何选用传感器的问题。

如何选用传感器

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器茵先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。

环境给传感器造成的影响主要有以下几个方面：

（1）高温环境对传感器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题。对于高温环境下工作的传感器常采用耐高温传感器；另外，必须加有隔热、水冷或气冷等装置。
（2）粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的传感器。不同的传感器其密封的方式是不同的，其密闭性存在着很大差异。
常见的密封有密封胶充填或涂覆；橡胶垫机械紧固密封；焊接（氩弧焊、等离子束焊）和抽真空充氮密封。
从密封效果来看，焊接密封为最佳，充填涂覆密封胶为量差。对于室内干净、干燥环境下工作的传感器，可选择涂胶密封的传感器，而对于一些在潮湿、粉尘性较高的环境下工作的传感器，应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。
（3）在腐蚀性较高的环境下，如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响，应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩，抗腐蚀性能好且密闭性好的传感器。
（4）电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。在此情况下，应对传感器的屏蔽性进行严格检查，看其是否具有良好的抗电磁能力。
（5）易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害，而且还给其它设备和人身安全造成很大的威胁。因此，在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆性能提出了更高的要求：在易燃、易爆环境下必须选用防爆传感器，这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密闭性，还要考虑到防爆强度，以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性等。

其次对传感器数量和量程的选择。

传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体如电子吊钩秤就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。
传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，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。但在实际使用时，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，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。
传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。
公式如下：
C＝K-0K-1K-2K-3(Wmax＋W)/N
C—单个传感器的额定量程；W—秤体自重；Wmax—被称物体净重的最大值；N—秤体所采用支撑点的数量；K-0—保险系数，一般取值在1.2～1.3之间人；K-1—冲击系数；K-2—秤体的重心偏移系数；K-3—风压系数。
例如：一台30t电子汽车衡，最大称量是30t，秤体自重为1.9t，采用四只传感器，根据当时的实际情况，选取保险系数K-0＝1.25，冲击系数K-1＝1.18，重心偏移系数K-2—＝1.03，风压系数K-3＝1.02，试确定传感器的吨位。
解：根据传感器量程计算公式：
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，可选用量程为15t的传感器（传感器的吨位一般只有10T、15T、20t、25t、30t、40t、50t等，除非特殊订做）。

根据经验，一般应使传感器工作在其30%～70%量程内，但对于一些在使用过程中存在较大冲击力的衡器，如动态轨道衡、动态汽车衡、钢材秤等，在选用传感器时，一般要扩大其量程，使传感器工作在其量程的20%～30%之内，使传感器的称量储备量增大，以保证传感器的使用安全和寿命。

再次，要考虑各种类型传感器的适用范围。

传感器型式的选择主要取决于称量的类型和安装空间，保证安装合适，称量安全可靠；另一方面，要考虑厂家的建议。厂家一般会根据传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构型式、弹性体的材质等特点规定传感器的适用范围，譬如铝式悬臂梁传感器适用于计价秤、平台秤、案秤等；钢式悬臂梁传感器适用于料斗秤、电子皮带秤、分选秤等；钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡、天车秤等；柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。

最后，还要对传感器准确度等级进行选择。

传感器的准确度等级包括传感器的非线形、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。在选用传感器的时候，不要单纯追求高等级的传感器，而既要考虑满足电子秤的准确度要求，又要考虑其成本。

对传感器等级的选择必须满足下列两个条件：

1.满足仪表输入的要求。称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大、A／D转换等处理之后显示称量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入情号大小，即将传感器的输出灵敏度代人传感器和仪表的匹配公式，计算结须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。

传感器和仪表的匹配公式：
传感器输出灵敏度*激励电源电压*秤的最大称量
秤的分度数*传感器的个数*传感器量程

例如：一称量为25kg的定量包装秤，最大分度数为1000个分度；秤体采用3只L—BE—25型传感器，量程为25kg，灵敏度为2.0±0.008mV／V，拱桥电压力12V；秤采用AD4325仪表。问采用的传感器能否与仪表匹配。
解：经查阅，AD4325仪表的输入灵敏度为0.6μV／d，因此根据传感器和仪表的匹配公式可得仪表的实际输入信号为：2×12×25／1000×3×25＝8μV／d＞0.6μv／d
所以，采用的传感器满足仪表输入灵敏度的要求，能够与所选仪表匹配。

2.满足整台电子秤准确度的要求。一台电子秤主要是由秤体、传感器、仪表三部分组成，在对传感器准确度选择的时候，应使传感器的准确度略高于理论计算值，因为理论往往受到客观条件的限制，如秤体的强度差一点，仪表的性能不是很好、秤的工作环境比较恶劣等因素都直接影响到秤的准确度要求，因此要从各方面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到目的。