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日本SHINKO新光電子ViBRA高精度音叉式電子天平HJ33K0.1 CTB703TR
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文詳細(xì)介紹了地磅的9種常見稱重傳感器的測量原理，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，對地磅的選用提供了一定的指導(dǎo)作用。
0.引言
地磅是利用稱量原理，確定物體的質(zhì)量或作為質(zhì)量函數(shù)的其它量值、數(shù)值、參數(shù)或特性的一種計量儀器，包括各種形式的天平和秤。天平通常是進(jìn)行質(zhì)量量值傳遞和精密稱量用的高準(zhǔn)確度或特種準(zhǔn)確度的衡器；而秤則是生產(chǎn)過程或商業(yè)流通領(lǐng)域中直接稱量用的普通準(zhǔn)確度或中等準(zhǔn)確度的衡器。
地磅的結(jié)構(gòu)主要是由承重系統(tǒng)、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (即傳感器）、示值系統(tǒng)（顯示器）三大部分組成，其工作原理是以機(jī)械或電子的方式平衡被測物重力，通過傳感器將力轉(zhuǎn)換成可以檢出的電信號并予以顯示。稱重傳感器是電子衡器的關(guān)鍵部件,根據(jù)其工作原理,分為電阻應(yīng) 變片式、電磁力平衡式、電容式、光電式、液壓式、振動式、 磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式等9大類。
1.電阻應(yīng)變片式傳感器
金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：
R =p js(1)
式中:p—金屬導(dǎo)體的電阻率（cm2/m);
S一導(dǎo)體的截面積(cm2);
L一導(dǎo)體的長度（m)。
電阻應(yīng)變片式傳感器是將應(yīng)變片受力形變轉(zhuǎn)換為電信號的敏感器件。電阻應(yīng)變片通過特殊的黏合劑緊密粘合于基體上，當(dāng)基體受力產(chǎn)生形變時,應(yīng)變片同時發(fā)生形 變,從而使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，經(jīng)惠斯頓電橋，如圖 1所示,將電阻變化轉(zhuǎn)化為電（電壓或電流）信號,從而完 成了將外力變化為電信號的過程。
電阻應(yīng)變片式傳感器廣泛應(yīng)用于地磅中，其稱量范圍為幾十克到數(shù)千噸，精度達(dá)1/1000 ~ 1/10000。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、測量范圍廣、頻響特性好、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化、能在惡劣條件下工作、壽命長；它的缺點(diǎn)是機(jī)械滯后、蠕變和零漂、應(yīng)變極限、對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可以通過一定措施改進(jìn)。
2.電磁力平衡式傳感器
電磁力平衡式傳感器的稱重過程基于安培力實現(xiàn)。如圖2,在導(dǎo)線上加上秤盤,秤盤及導(dǎo)線本身具備的重力 方向朝下,而通電導(dǎo)線受到向上的電磁力，當(dāng)通過導(dǎo)線的電流值達(dá)到某一值時,這兩個力相互平衡,此時傳感器就 處于平衡狀態(tài)。在秤盤上加載重物后，向下的重力增加，秤盤自然就朝下移動,傳感器就處于不平衡狀態(tài),如需要 再次達(dá)到平衡狀態(tài),就需要加大通過導(dǎo)線的電流,使得由電流產(chǎn)生的電磁力大小與加上物體后受到的重力相等，秤盤才恢復(fù)到平衡位置。電磁力平衡傳感器依靠載流線圈在恒定直流磁場中產(chǎn)生的電磁力與被測質(zhì)量的重力平衡,實現(xiàn)被測質(zhì)量的電信號轉(zhuǎn)換。
電磁力平衡傳感器廣泛用于電子分析天平，是精密質(zhì)量稱量的常用傳感器，精度達(dá)1/2000 ~1/60000,稱量 范圍在幾十毫克到十千克之間。其優(yōu)點(diǎn)是測量分辨率 高、價格適宜，靈敏可靠、在精密質(zhì)量稱量、加速度測量、 化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測、水分檢測等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的 缺點(diǎn)是對傳感器的生產(chǎn)條件要求較高，目前世界上只有 為數(shù)不多的幾家大廠掌握這種技術(shù)。
3.電容式傳感器
電容式傳感器是一種把被測的機(jī)械量,如壓力、位移等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。其敏感部件電容器通常由極間充滿空氣的兩個平行電極組成,如圖3所示。忽略邊緣效應(yīng),平板電容器的電容為：
式中:s—極間介質(zhì)的介電常數(shù) 4一兩電極互相覆蓋的有效面積 5—兩電極間的距離
S、A、e三個參數(shù)均可引起電容量變化，電容式傳感器對應(yīng)分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。
電容式傳感器精度達(dá)1/200 ~ 1/500。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、過載能力強(qiáng)、耗電量少、造價低、對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng);其缺點(diǎn)是輸出有非線性、寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大等。此類傳感器目前應(yīng)用十分稀少。
4.光電式傳感器
光電式傳感器包括光柵式和碼盤式兩種。
（1）光柵式
光柵式傳感器的工作原理是將光柵形成的莫爾條紋角位移轉(zhuǎn)換成光電信號。有兩塊光柵,一塊光柵裝在表 盤軸上可移動，另一塊光柵固定。加載重物后,在傳力杠 桿帶動下表盤軸旋轉(zhuǎn)從而帶動移動光柵轉(zhuǎn)動，莫爾條紋 也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表,計算移過的莫爾條紋數(shù)量,測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小,從而確定和 讀出被測物重量。
（2）碼盤式
碼盤式傳感器的碼盤（符號板）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。加載物體后,通過杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時,碼盤 也轉(zhuǎn)過一定角度。光電池透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成 電信號，由電路進(jìn)行處理并得到測量結(jié)果。
光電式傳感器曾主要用于機(jī)電結(jié)合秤上。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是運(yùn)行速度低，不能滿足高速稱重要求。該類型傳感器作為曾經(jīng)的一個過渡產(chǎn)品已完成使命,幾乎退出市場。
5.液壓式傳感器
液壓式傳感器利用液壓油壓力與所承受的被測物重力（質(zhì)量）成正比，只要測出液壓油壓力的增大值,就可 得到被測物的質(zhì)量。
液壓式傳感器的精度一般不到1/1000,有時甚至連 1/100也不到。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單而牢固，測量范圍大。
6.磁極變形式傳感器
磁極變形式傳感器的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)力并引起磁導(dǎo)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。
磁極變形式傳感器的精度不高，_般為1/100。
7.振動式傳感器
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。振弦式傳感器精度較高，達(dá)1/1000 ~1/10000,稱量范圍在100克到幾百千克；其缺點(diǎn)是結(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。音叉端部固定有壓電元件，它以音叉的固有頻率振蕩，并可測出振蕩頻率。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。音叉式傳感器精度高達(dá)1/10000 ~1/ 200000,稱量范圍在500g到10kg之間。
8.陀螺儀式傳感器
陀螺儀的基本部件有陀螺轉(zhuǎn)子、內(nèi)/外環(huán)、附件等,如 圖4所示，轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)環(huán)中，以角速度《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。外環(huán)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F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《與外力F成正比,通過檢測頻率的方法測出即可求出外力大小,進(jìn)而求出產(chǎn)生 此外力的被測物的質(zhì)量。
陀螺儀式傳感器精度高,達(dá)1/100000,另外,還具有響 應(yīng)時間快,無滯后現(xiàn)象,溫度特性好,振動影響小等優(yōu)點(diǎn)。
鋼鐵4.jpg
9.光纖光柵式傳感器
光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布拉格波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時 敏感，因此,解決交叉敏感問題，實現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測量是傳感器實用化的前提，通常可利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫 度與應(yīng)變傳感器,通過確定兩個光纖光柵的溫度與應(yīng)變響 應(yīng)靈敏度系數(shù),利用兩個二元一次方程解出溫度和應(yīng)變。
光纖光柵式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):抗電磁干擾；電絕緣性能好,安全可靠；耐腐蝕,化學(xué)性能穩(wěn)定;體積小、重 量輕、幾何形狀可塑;傳輸損耗小，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測;傳輸容量大，可實現(xiàn)多點(diǎn)分布式測量;傳輸范圍廣，可 測量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位 等。就目前而言,光纖光柵式傳感器大多還處于研究和 實驗階段。
10.結(jié)束語
電磁力平衡式傳感器和電阻應(yīng)變片式傳感器發(fā)展相對成熟,前者主要用于市場如分析天平、精密天平、微量天平和超微量天平等，后者在電子天平和衡器中均有廣泛應(yīng)用；光電式傳感器和磁極變形式傳感器在性能方面缺乏優(yōu)勢,逐漸被市場淘汰;而振動式傳感器和陀螺 儀式傳感器雖然具有較高的精度，但由于其造價高昂而 并未被廣泛使用。電容式稱重傳感器在許多超高溫環(huán)境 對稱量精度要求不高或只為起到安全過載保護(hù)作用時使 用具有一定優(yōu)勢,譬如煉鋼廠使用的部分高溫吊鉤秤;液 壓式傳感器應(yīng)用場合較少，目前主要應(yīng)用在對稱量要求 精度不高或安全過載保護(hù)方面的稱重測力場合，譬如裝 載機(jī)秤。雖然目前電磁力平衡式傳感器和電阻應(yīng)變片式 傳感器在電子衡器中是主流，但它們受溫度、氣流、電磁干擾等環(huán)境影響較大,且傳輸容量小,未來光纖光柵式傳感器的大力發(fā)展必將成為趨勢。
