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稱重傳感器原理和使用知識

發布時間:2021-11-25 14:01:08 |來源:網絡轉載

稱重傳感器按轉換原理分為電磁力式、光電式、液壓式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電陰應變式等8類傳感器,以電阻應變式使用最廣。在稱重傳感器主要技術指標的基本概念和評價方法上,新舊國標有質的差異。本文介紹稱重傳感器的工作原理和使用注意事項等知識。
電阻應變式稱重傳感器是基於這樣一個原理:彈性體(彈性元件,敏感梁)在外力作用下產生彈性變形,使粘貼在他表麵的電阻應變片(轉換元件)也隨同產生變形,電阻應變片變形後,它的阻值將發生變化(增大或減小),再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號(電壓或電流),從而完成了將外力變換為電信號的過程。
由此可見,電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下麵就這三方麵簡要論述稱重傳感器工作原理。
一、傳感器電阻應變片 
電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料製成的基底上,即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏係數K。我們來介紹一下它的意義。 
設有一個金屬電阻絲,其長度為L,橫截麵是半徑為r的圓形,其麵積記作S,其電阻率記作ρ,這種材料的泊鬆係數是μ。當這根電阻絲未受外力作用時,它的電阻值為R: 
R = ρL/S(Ω) (2—1)   
當他的兩端受F力作用時,將會伸長,也就是說產生變形。設其伸長ΔL,其橫截麵積則縮小,即它的截麵圓半徑減少Δr。此外,還可用實驗證明,此金屬電阻絲在變形後,電阻率也會有所改變,記作Δρ。 
對式(2--1)求全微分,即求出電阻絲伸長後,他的電阻值改變了多少。我們有: 
ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 (2—2) 
用式(2--1)去除式(2--2)得到 
ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S (2—3) 
另外,我們知道導線的橫截麵積S = πr2,則 Δs = 2πr*Δr,所以 
ΔS/S = 2Δr/r (2—4) 
從材料力學我們知道 
Δr/r = -μΔL/L (2—5) 
其中,負號表示伸長時,半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊鬆係數。把式(2—4)(2—5)代入(2--3),有 
ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L 
=(1 + 2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L 
= K *ΔL/L (2--6) 
其中 
K = 1 + 2μ +(Δρ/ρ)/(ΔL/L) (2--7) 
式(2--6))說明了電阻應變片的電阻變化率(電阻相對變化)和電阻絲伸長率(長度相對變化)之間的關係。   
需要說明的是:靈敏度係數K值的大小是由製作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數,它和應變片的形狀、尺寸大小無關,不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間;其次K值是一個無因次量,即它沒有量綱。 
在材料力學中ΔL/L稱作為應變,記作ε,用它來表示彈性往往顯得太大,很不方便 
常常把它的百萬分之一作為單位,記作με。這樣,式(2--6)常寫作: 
ΔR/R = Kε (2—8)  
二、稱重傳感器彈性體的原理   
彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個,首先是它承受稱重傳感器所受的外力,對外力產生反作用力,達到相對靜平衡;其次,它要產生一個高品質的應變場(區),使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。 
以托利多公司的SB係列稱重傳感器的彈性體為例,來介紹一下其中的應力分布。 
設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。   
肓孔底部中心是承受純剪應力,但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神,一為壓縮,若把應變片貼在這裏,則應變片上半部將受拉伸而阻值增加,而應變片的下半部將受壓縮,阻值減少。下麵列出肓孔底部中心點的應變表達式,而不再推導。 
ε = (3Q(1+μ)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/ (B(H3-h3)+bh3) (2--9) 
其中:Q--截麵上的剪力;E--揚氏模量:μ—泊鬆係數;B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。 
需要說明的是,上麵分析的應力狀態均是“局部”情況,而應變片實際感受的是“平均”狀態。
三、檢測電路原理
檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。因為惠斯登電橋具有很多優點,如可以抑製溫度變化的影響,可以抑製側向力幹擾,可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等,所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。 
因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高,各臂參數一致,各種幹擾的影響容易相互抵銷,所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。
其實稱重傳感器原理上就是壓力傳感器,形狀不一樣而已,通常有很多種方法傳感的,但我見到,用得比較多,比如地磅用的那些,一般為電渦流式。
也就是說,他有一個電渦流觸發繞組,然後還有一個傳感器感應電渦流強度。
由於這個傳感器整體是金屬封裝,電渦流在其內部,受到壓後形變,渦流就發生變化,放大後就可以讀到數據了。
然後,封裝這個東西的材料,通常選用剛性材料, 總之,就是一般的金屬,比如鋼,但肯定不會用很軟的東西的。至少電渦流方式傳感的壓力傳感器,是不會用軟金屬製造的。
因為即使是鋼,就算受到壓力形變那麽幾微米,那麽電渦流的變化也足夠感應出到底變化了多少而且如果是軟金屬,稱很重東西的時候,可能很容易出問題。
稱重傳感器的使用知識
隨著技術的進步,由稱重傳感器製作的電子衡器已廣泛地應用到各行各業,實現了對物料的快速、準確的稱量,特別是隨著微處理機的出現,工業生產過程自動化程度化的不斷提高,稱重傳感器已成為過程控製中的一種必需的裝置,從以前不能稱重的大型罐、料鬥等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控製,到混合分配多種原料的配料係統、生產工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控製等,都應用了稱重傳感器,目前,稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領域。
本係統由微機控製稱重傳感器的稱重和比較,並輸出控製信號,執行定值稱量,控製外部給料係統的運轉,實行自動稱量和快速分裝的任務。
係統采用MCS-51單片機和V/F電壓頻率變換器等電子器件,其硬件電路框圖如圖1所示,用8031作為中央處理器,BCD拔碼盤作為定值設定輸入器,物料裝在料鬥裏,其重量使傳感器彈性體發生變形,輸出與重量成正比的電信號,傳感器輸出信號經稱重變送器放大後,輸入V/F轉換器進行A/D轉換,變送成的頻率信號直接送入8031微處理器中,其數字量由微機進行處理。微機一方麵把物重的瞬時數字量送入顯示電路,顯示出瞬時物重,另一方麵則進行稱重比較,開啟和關閉加料口和變送器,放料於箱中等一係列的稱重定值控製。
稱重傳感器的電子秤原理
傳統概念上,負荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統稱,用單項參數評價它的計量特性。舊國標將應用對象和使用環境條件完全不同的“稱重”和“測力”兩種傳感器合二為一來考慮,對試驗和評價方法未給予區分。舊國標共有21項指標,均在常溫下進行試驗;並用非線性、滯後誤差、重複性誤差、蠕變、零點溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差6項指標中的最大誤差,來確定稱重傳感器準確度等級,分別用0.02、0.03、0.05......1.0表示。
稱重傳感器的原理是在被測物體上的重力按一定比例轉換成可計量的輸出信號。考慮到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉換的影響,稱重傳感器的性能指標主要有線性誤差、滯後誤差、重複性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質量計量係統中,通常用綜合誤差帶來綜合控製傳感器準確度,並將綜合誤差帶與衡器誤差帶(圖1)聯係起來,以便選用對應於某一準確度衡器的稱重傳感器。國際法製計量組織(OIML)規定,傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70%,稱重傳感器使用知識的線性誤差、滯後誤差以及在規定溫度範圍內由於溫度對靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶δ。這就允許傳感器製造廠對構成計量總誤差的各個分量進行調整,從而獲得期望的準確度。
剪切梁式稱重傳感器原理是彈性體受力的作用後,需要測量的不是其正應力,而是由剪切力引起的切應力。但切應力本身是測量不出來的,它隻能產生於與工字梁中心軸 線成45“的互相垂直的主應力,也就是產生於由切應力而引起的拉伸應力及壓縮應力。因此,將4片應變計分別貼在工字梁腹板的兩麵,並與中心軸線成45。的 相互垂直的位置上。這4個應變計組成全橋,當傳感器承受載荷時,應變計R,,R3的電阻值增大,R2,R;的電阻值減小,其結果在電橋的對角 線上產生與載荷成正比的不平衡輸出。利用這一原理,便可測出力或載荷的大小。

 

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