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称重传感器应用之电子秤
传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。 而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。 
传感器的分类有很多,其中称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力→电转换装置,是电子称的一个关键部件。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类,以电阻应变式使用最广。传感器就好比电子称的“心脏”,其精确度和稳定性直接影响电子称的性能。  
1、电子秤结构 
电子秤属于衡器的一种,利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具。 随着现代化生产的发展,电子秤在许多商业活动中已成为不可缺少的计量工具。电子秤主要由承重系统(如秤盘、秤体)、传力转换系统(如杠杆传力系统、传感器)和示值系统(如刻度盘、电子显示仪表)三部分组成。 
电子秤作为一个典型的自动检测系统,也可归纳为由三大环节所组成。

如图1所示一次仪表通常指的是传感器,它是由敏感元件、电路、机构等组成,是利用某些特殊材料对某些物理量具有一定的敏感,然后转换成电量、电压、电流。通常来自一次仪表的电信号比较弱小,不足以驱动显示器,为此采用二次仪表对信号进行放大,来自一次仪表的电信号往往还夹带外部的干扰信号,必须把它去除,一般二次仪表还包括滤波电路用以消除干扰。传感器的转换关系往往并不服从线性关系,所以有时还需要进行适当的线性补偿处理。故称二次仪表为测量与显示部件。二次仪表的输出信号可能是模拟量,也可能是数字量。三次仪表是采用了计算机技术,所以要求二次仪表的输出信号必须是数字信号,三次仪表将进一步对信号进行处理并形成控制量输出。作为规模较小的仪表系统,三次仪表主要是以中央处理器为核心的数字电路,组成智能化仪表。使整个测量系统的性能与功能大大提高。 
各种各样形式的电子秤的仪表结构都是大同小异的,都必须利用称重传感器来采集重量信号并变换成相应大小的电信号。 
2、电子称工作原理 
当物体放在秤盘上时,压力施给传感器,该传感器发生形变,从而使阻抗发生变化,同时使用激励电压发生变化,输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器,直至显示结果。 
3、电子称中传感器的选用 
(1)称重传感器的构成 
①敏感元件 
直接感受被测量(质量)并输出与被测量有确定关系的其他量的元件。如电阻应变式称重传感器的弹性体,是将被测物体的质量转变为形变;电容式称重传感器的弹性体将被测的质量转变为位移。
②变换元件 
又称传感元件,是将敏感元件的输出转变为便于测量的信号。如电阻应变式称重传感器的电阻应变计(或称电阻应变片),将弹性体的形变转换为电阻量的变化;电容式称重传感器的电容器,将弹性体的位移转变为电容量的变化。有时某些元件兼有敏感元件和变换元件两者的职能。如电压式称重传感器的压电材料,在外载荷的作用下,在发生变形的同时输出电量。 
③测量元件 
将变换元件的输出变换为电信号,为进一步传输、处理、显示、记录或控制提供方便。如电阻应变式称重传感器中的电桥电路,压电式称重传感器的电荷前置放大器。 
④辅助电源 
为传感器的电信号输出提供能量。一般称重传感器均需外链电源才能工作。因此,作为一个产品必须标明供电的要求,但不作为称重传感器的组成部分。有些传感器,如磁电式速度传感器,由于他输出的能量较大,故不需要辅助电源也能正常工作。所以并非所有传感器都要有辅助电源。 
(2)称重传感器的测量原理及构造原理 
测量原理:称重传感器采用金属电阻应变片组成测量桥路,利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细,电阻增加的原理,即金属电阻随所受应变而变化的效应而制成的(应变,就是尺寸的变化)。 
构造原理:金属电阻具有阻碍电流流动的性质,即具有电阻(Ω),其阻值依金属的种类而异。同一种金属丝,一般来讲,越是细长,其电阻值就越大。当金属电阻丝受外力作用而伸缩时,其电阻值就会在某一范围内增减。因此,将金属丝(或膜)紧贴在被测物体上,而且这种丝或膜又很细或很薄,粘贴又十分完善,那麽,当被测物体受外力而伸缩时,金属电阻丝(膜)也会按比例伸缩,其阻值也会相应变化。称重传感器就是将金属电阻应变片粘贴在金属称重梁上进行测量重量信号的。 
(3)称重传感器的选用 
能够实现力→电转换的称重传感器有多种,常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电阻式传感器又分为金属丝箔式、半导体式,它们各有优缺点及使用范围。  
大多数电子秤的使用场合是极为普通的室内外的大气层环境,所谓的温度条件是-10℃~55℃。选用金属箔式应变片传感器作为电子秤的荷重传感器是最广泛的应用。因为金属箔式应变片在这个温度范围内具有精度高、稳定性好、线性、转换电路简单成本较低等优点。相对半导体应变片尽管也能适用并且也有不少优点,如灵敏度高、体积小、响应速度快等,但是对温度的敏感,以前一直是它的缺陷,虽然目前已经通过激光修补工艺解决了温度补偿问题,可是生产成本高成为广泛使用的阻碍。电容式荷重传感器也是一种可选对象,但是需要稳定的交流电源作为工作电源,技术要求高、电路复杂、适用于安装空间小、响应速度快的场合。压磁式荷重传感器特别适用于环境温度较高的场合,但是精度不高,仅适用于大吨位秤重。选用荷重传感器的基本要求是:灵敏度高、函数关系呈线性、重复性好、长期稳定。

如图所示,为三种常见的应变片荷重传感器。图a为圆柱式荷重传感器,弹性元件为合金钢材料。图b为梁式荷重传感器,弹性元件为弹簧钢材料。图c为S型剪切式荷重传感器,弹性元件为铝合金材料。三种结构形式的荷重传感器均为压缩式受力,根据测重范围的需要,采用不同的弹性模量的材料。通常荷重传感器的测量范围与分辨率是互相制约的,测量范围越大,则分辨率越差。反之,测量范围越小,则分辨率越好。 
4、传感器在电子称中的应用      
电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理:弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在它表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成了将外力变换为电信号的过程。 
5、电子称分类  
(1)按原理分:电子秤 机械秤 机电结合秤 多功能电子秤;
(2)按功能分:计数秤 计价秤 计重秤 蓝牙秤; 
(3)按用途分:工业秤 商业秤 特种秤; 
(4)按放置位置分类:  
桌面秤指全称量在30Kg以下的电子秤;
台秤指全称量在30-300Kg以内的电子秤; 
地磅指全称量在300Kg以上的电子秤 精密天平;  
(5)按精确度分类:  
I级:特种天平 精密度≥1/10万 基准衡器;  
II级:高精度天平 1/1万≤精密度<1/10万 精密衡器; 
III级:中精度天平 1/1000≤精密度<1/1万 工业.商业衡器;
IV级:普通秤 1/100≤精密度<1/1000 粗衡器; 
(6)按资料传输方式分类:  
分为:RS-232/ RS-485、 射频(RF2.4G)、 模拟讯号(Analog)、 蓝牙(Bluetooth)、 USB接口、以太网路。

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