电子衡器基础知识..

电子衡器基础

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梅特勒－托利多工业业务市场部

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电子衡器基础知识

一、电子衡器概论

１、衡器、秤及天平的概念

（１）衡器

是利用作用于物体上的重力等各种称量原理，确定物体的质量或作为质量函数的其他量值、数值、参数或特性的一种计量仪器，又称衡量仪器、称量仪器或称重仪器。

当用于贸易结算、安全防护、环境监测和医疗卫生领域时，在我国属接受强制检定的计量器具之一。

（２）秤

是普通准确度级和（或）中准确度级的非自动衡器，以及具有相应静态准确度级的自动衡器的总称。

（３）天平

天平是高准确度级和（或）特种准确度级的衡器。

２、电子衡器概念

装有电子装置的衡器。电子装置是指将电信号转换成数字信号的机电装置。

３、衡器术语

（１）非自动衡器：称量过程中需要人员操作（例如向承载器加放或卸去载荷或取得称量结果）的秤。

（２）自动衡器：称量过程中不需要操作都参与，并按照预定的程序自动工作的衡器。

（３）最大称量（Max）：不计算添加皮重在内的最大称重能力。

（４）分度值：

实际分度值（d）：以质量单位表示的下述数值。

对模拟示值，系指相邻两个刻线对应值之差

对数字示值，系相邻两个示值之差。

检定分度值（e）：用于对秤分级和检定时使用的、以质量单位表示的值。

（５）检定分度数（n）：最大秤量与检定分度值之商。

（６）最小秤量（Min）：载荷小于该值时，称量结果可能产生过大的相对误差。

（７）称量范围：最小秤量与最大秤量之间的范围。

二、电子衡器组成

全电子衡器按组成部分可分为以下四部分：

1、称重传感器：将加到称台上的重量信号转变为成比例的电信号输出。

2、称重显示仪表：将传感器输出的模拟信号经放大、滤波、A/D转换、数字处理后在显示屏上显示。

3、秤体部分：承重部分，机械结构上还可分为秤台、位移限位、卸荷锣栓；电气上有接线盒、信号电缆等。

接线盒作用：在多传感器系统中平衡传感器输出信号

信号电缆作用：将传感器信号送至显示仪表

4、外部设备：指连接在显示仪表的信号输出端口，接收仪表输出信号的设备；常见的外部设备有打印机、大屏幕显示器、计算机管理系统；另外还有模拟量输出、光纤输出、固态继电器输出等。

三、应变式称重传感器

１、传感器工作原理

弹性体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也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻值变化转换为电信号输出，从而完成将外力转变为电信号的过程。

（１）电阻应变片：是把一根电阻丝机械地布置在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。

箔式单轴片、箔式双轴片

（２）弹性体：承受外力，产生反作用力，达到相对静平衡。产生高品质的应变场。

（３）检测电路：把电阻应变片的电阻变化转变为电压信号输出。

因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便地觧决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易互相抵消，所以称重传感器均采用全桥等比电桥，参看下图。

从图中，流经R 1，R 2的电流为：

I 1= U i ÷(R 1+R 2) U AB =R 1×I 1= UiR 1÷(R 1+R 2) 流经R3，R4的电流为

I 2= U i ÷(R 3+R 4) U AD = R 4×I 2= UiR 4÷(R 3+R 4) U BD =U AD —U AB = UiR 4÷(R 3+R 4)—UiR 1÷(R 1+R 2)

= U i ×（R 2R 4—R 1R 3）÷[(R 1+R 2) ×(R 3+R 4)]

= U 0 ------------------ （1） -

2、零点补偿

虽然电阻应变计经过精心挑选使其阻值尽量相等，但很难绝对一致。另外，即使能挑选出电阻相等的应变计，经过贴片过程，电阻值还会发生变化。所以其桥路不平衡是绝对的。使传感器在不承重时的输出为U 0等于零所进行的调整称为零点补偿。零点补偿有桥臂中串联电阻法，并联电阻法和外加电压法三种。本公司采用串联法零点补偿。

零点补偿方法

从图中，R 1、R 2、R 3、R 4为四个桥臂电阻，Ui 为桥路激励电压电源。

由（1）式可知，若U0 ＞0，则R 2R 4—R 1R 3＞0，此时可在桥臂1或桥臂3中串一个电阻（铜丝或镍铜片）R 0，使R 2R 4=（R 1+R 0）R 3达到零点补偿的目的。零点补偿的任务首先是决定零点补偿电阻应串入哪一个桥臂，其次是决定这个电阻值是多大，最后决定铜丝有多长，补偿前必须测U 0并规定桥路电压的正方向，使它与桥路的正方向相同。如图所示，供桥电压的正端接A 点，负端接C 点。桥路输出端B 点的电位高于D 点，则U 0为正，反之U 0为负。根据测出U 0的正负，用图很容易决定R 0应串入哪一个桥臂。串入R 0后，则产生一个电压降IR 0，如果这个电压降与U 0大A

+

小相等，则抵消掉U0，考虑到串入的电阻R0远小于桥臂电阻R，因此支路电流

I= U i÷(R1+R2+R0)= Ui÷(2R+R0) ≈Ui÷2R ----------------（2）

U0=IR0= Ui÷2 R×R0 ----------------------(3)

R0= 2R×U0Ui------------------------（4）

如果铜丝单位长度的电阻为r0,设零点补偿所需铜丝长度为L

L = R0÷r0 =2R×U0÷Ui÷r0=2R÷r0×U0÷Ui -----------------（5）

根据（4），（5）计算出的零点补偿电阻，用特殊方法绕好后，经老化处理再接入传感器电桥由实验作精细调整。当然传感器还有零点温度补偿，弹性模量温度补偿，蠕变补偿等，我们就不逐个描述，如有兴趣，这方面的书籍较多，读者可以作进一步研究.

3、传感器常用技术参数

额定容量：生产厂家给出的称量范围的上限值。（t、kg、g）

额定输出(灵敏度)：加额定载荷时和无载荷时，传感器输出信号的差值。（mv/v）

灵敏度允差：传感器的实际额定输出与对应的标准额定输出之差对该标准额定输出的百分比。

非线性：由空载荷的输出值和额定载荷时的输出值所决定的直线和增加负荷之实测曲线之间最大偏差对额定输出值的百分比。

重复性误差：在相同的环境条件下，对传感器反复加荷到额定载荷并卸载。加荷过程中同一负荷点上输出值的最大差值对额定输出的百分比。

蠕变：在负荷不变（一般取为额定载荷），其它测试条件也保持不变的情形下，称重传感器输出随时间的变化量对额定输出的百分比。

零点输出：在推荐电压激励下，未加载荷时传感器的输出值对额定输出的百分比。

绝缘阻抗：传感器的电路和弹性体之间的直流阻抗值。

输入阻抗：电源激励输入端短路，传感器未加载荷时，从信号输出端测得的阻抗。

温度补偿范围：在此温度范围内，传感器的额定输出和零平衡均经过严密补偿，从而不会超出规定的范围。

零点温度影响：环境温度变化引起的零平衡变化。一般以温度第化10K时，引起的零平衡变化量对额定输出的百分比来表示。

额定输出温度影响：环境温度的变化引起的额定输出变化。一般以温度每变化10K引起额定输出的变化量对额定输出的百分比来表示。

使用温度范围：传感器在此温度范围内使用其任何性能参数均不会产生永久性有害变化。

4、称重传感器选用的一般规则

1）结构、型式的选择

主要看衡器的结构和使用的环境条件，还有一个要考虑的因素是，维修的方便与否及所需费用。

2）量程的选择

称重系统的称量值越接近传感器的额定容量，则其称量准确度就越高，但在实际使用时，由于存在秤体自重、皮重及振动、冲击、偏载等，因而不同称量系统选用传感器的量限的原则有很大