称重传感器研究

称重传感器与皮带秤的研究

摘要：生活中称的重形式随处可见，最初的机械称重，它简单但是测量范围小精度低，难以满足大众需求，现在越来越高精度的称重技术，往往以其选用的传感器为核心技术，不同类型的传感器决定了称重系统的称重范围和精度。工业上不便于人工对煤炭等大宗散装物料称重，因此常采用皮带秤进行称重，便于得到一个比较准确的开采量，本文讲会从皮带秤的结构，工作原理，传感器特性等方面对其进行一个分析。

关键字：称重，称重传感器，皮带秤。

1称重传感器及其简单介绍

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，是电子衡器的一个关键部件。能够实现力--电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。

为了适用各种衡器结构的安装需要，称重传感器做成了各种各样的结构形式，传感器的名称往往也按照其外形称呼。如桥式传感器（主要用于汽车衡）、悬臂梁式（地上衡、料斗秤、汽车衡）、柱式（汽车衡、料斗秤）、箱式（台秤）、S 型（料斗秤）等。一种衡器承载体往往有多种结构形式的传感器可供选择，如果传感器选择得当，对于衡器性

能的提高是很有帮助的。

称重传感器准确度等级分为A，B，C，D 四个级别。不同级别有不同的误差范围。A 级传感器的要求最高。等级后面的数字表示检定分度值，数字越大，传感器质量越好。例如：C2 表示C 级，2000 个检定分度值；C5 表示C 级，5000 个检定分度值。显然C5 要高于C2。传感器常用的级别为C3，C5 级，这两种级别的传感器可用于制作准确度等级为III 级的电子衡器。

称重传感器的误差主要是由非线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差等引起的。

2称重传感器的分类及其常用类型的详细介绍

称重传感器按转换方法通常分为电阻应变片式电磁力式光电式电容式液压式振动式磁极变形式陀螺仪式光纤光栅式 9 大类，以电阻应变片式使用最广下面是几种常用的称重传感器的工作原理特性及优劣比较。

⑴以金属材料为转换元件的电阻应变计，其转换原理是基于金属电

阻丝的电阻应变效应所谓应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象（如图1所示）。

金属导体的电阻值可用下式表示：

式中：ρ为金属导体的电阻率（Ω·cm2/m ）；S为导体的截面积（ cm2）；L为导体的长度（m ）

电阻应变片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，使粘贴在他表面的电阻应变片（如图 2 所示）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），再经过惠斯通电桥（如图 3 所示）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。

电阻应变式称重传感器的称量范围为几十克至数千吨，计量准确度达1/1000 1/10000，结构较简单，可靠性较好，大部分电子衡器均使用此传感器电阻应变式传感器的优点是准确度高测量范围广寿命长结构简单频响特性好能在恶劣条件下工作，易于实现小型化整体化和品种多样化等它的缺点是机械滞后蠕变和零漂应变极限，对于大应变有较大的非线性输出信号较弱，但是可通过一定措施改进。

电阻应变片式称重传感器是称重传感器中应用最广泛的，对其的特性研究也是最多的。

3 电磁力平衡称重传感器

电磁力平衡传感器的称重过程基于安培力实现通电导线在磁场中受到的作用力如图 4 所示在导线上加上秤盘，秤盘及导线本身具备的重力方向朝下，而通电导线受到向上的电磁力，当通过导线的电流值达到某一值时，这两个力互相平衡，此时传感器就处于平衡状态即可确定被测物体的重量电磁力平衡传感器依靠载流线圈在恒定直流磁场中产生的电磁力与被测质量的重力平

衡，实现被测质量的电信号转换。

电磁力平衡称重传感器是一种高精度传感器，精度可达 1/2000 1/60000，但称量范围仅在几十毫克至十千克之间广泛用于电子分析天平，是精密质量称量的常用传感器由于测量分辨率高灵敏可靠价格适宜，在精密质量称量化学反应监测加速度测量水分检测等领

域被广泛应用为减小传感器的体积，简化传感器的制造工艺，降低制造成本，电磁力平衡传感器的恒定直流磁场采用永久磁铁永久磁铁作为电磁力平衡传感器的永磁体，其磁性能的稳定性直接影响电磁力平衡传感器的精度。

电磁力平衡式传感器是一项相对成熟的专利技术，对传感器的生产条件要求较高目前，世界上只有为数不多的几家大厂掌握这种技术这种高精度的电子称重装置由于其独特的工作原理和工艺水平，精度非常高，主要用于高端市场例如用高强度航空铝合金材料通过高精度电火花切割加工而成的单模块传感器，瑞士梅特勒 - 托利多集团和德国赛多利斯都有该项专利技术，他将传统的电磁力平衡式传感器中的杠杆上下导杆底座以及簧片等多个零部件融为一体由于内部无连接螺丝，从而大大提高其可靠性的同时，高效的机械传输性能和扭力保护，提高了其使用寿命。

4 电容式称重传感器

电容式称重传感器是一种把被测的机械量如位移压力等转换为电容量变化的传感器它的敏感部分就是具有可变参数的电容器，其最常用的形式是由两个平行电极组成极间以空气为介质的电容器（如图5 所示）他利用电容器振荡电路的振荡频率 f与极板间距的正比例关系工作若忽略边缘效应，平板电容器的电容为：C=εS/4πkd

式中：ε为极间介质的介电常数；

S为两电极互相覆盖的有效面积；

D为两电极之间的距离

三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量因此电容式传感器可分为极距变化型面积变化型介质变化型三类极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力压力振动等引起的极距变化。

电容式称重传感器的优点是结构简单价格便宜灵敏度高过载能力强耗电量少造价低，准确度一般为 1/200 1/500，动态响应特性好，对高温辐射强振等恶劣条件的适应性强等缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大等由于电阻应变式称重传感器无法做成超高温或在超高温环境故障率非常高，所以在许多超高温环境对称量精度要求不高或只为起到安全过载保护的作用时通常使用电容式称重传感器具有一定优势，譬如炼钢厂所使用的部分高温吊钩秤。此类传感器目前应用非常稀少。

5 光电式称重传感器

光电式传感器包括光栅式和码盘式两种。

光栅式传感器的工作原理是将光栅形成的莫尔条纹角位移转换成光