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稱重傳感器是一種能夠將重力轉變?yōu)殡娦盘柕牧?-電轉換裝置,是電子衡器的一個關鍵部件。
能夠實現(xiàn)力-電轉換的傳感器有多種,常見的有電阻應變式、電磁力式和電容式等。電磁力式主要用于電子天平,電容式用于部分電子吊秤,而絕大多數(shù)衡器產品所用的還是電阻應變式稱重傳感器。電陽應變式稱重傳感器結構較簡單,準確度高,適用面廣,且能夠在相對比較差的環(huán)境下使用。因此電阻應變式稱重傳感器在衡器中得到了廣泛地運用。
電阻應變式稱重傳感器主要是由彈性體、電阻應變片和補償電路組成。彈性體是稱重傳感器的受力元件,由優(yōu)質合金鋼、不銹鋼和優(yōu)質鋁型材制成。電阻應變片是由金屬箔材腐蝕成柵格形制成,四個電阻應變片以電橋的結構方式粘在彈性體上,在沒有受力的情況下,電橋的四只電阻的阻值是相等的,電橋處于平衡狀態(tài),輸出為零。在彈性體受力發(fā)生變形時,電阻應變片也跟著一道變形。在彈性體受力奇曲的過程中,有兩個應變片受拉,金屬絲變長,電陽值增加;另兩片受壓,電阻值減小。這樣就導致原來平衡的電橋失衡,在電橋的兩端產生了電壓差,這個電壓差與彈性體受力的大小成正比,檢測這個電壓差,就可以得到傳感器所受重力的大小,這個電壓信號經過儀表檢測后然計算后,就可以得到相應的重量值。
為了適用各種衡器結構的安裝需要,稱重傳感器做成了各種各樣的結構形式,傳感器的名稱往往也按照其外形稱呼。如橋式傳感器(主要用于汽車衡)、懸臂梁式(地上衡、料斗秤、汽車衡)、柱式(汽車衡、料斗秤)、箱式(臺秤)、S 型(料斗秤)等。一種衡器承載體往往有多種結構形式的傳感器可供選擇,如果傳感器選擇得當,對于衡器性能的提高是很有幫助的。
電阻應變式稱重傳感器的規(guī)格很多,小到幾百克大到幾百噸。在選擇稱重傳感器量程的時候,要根據(jù)所用衡器的最大秤量來確定,其經驗公式為:
傳感器總載荷(單個傳感器的最大允許載荷 X 傳感器個數(shù))=1/2~2/3 衡器的最大秤量。
稱重傳感器準確度等級分為 A,B,C,D 四個級別。不同級別有不同的誤差范圍。A 級傳感器的要求最高。等級后面的數(shù)字表示檢定分度值,數(shù)字越大,傳感器質量越好。例如:C2表示 C 級,2000 個檢定分度值;C5 表示 C 級,5000 個檢定分度值。顯然 C5 要高于 C2。傳感器常用的級別為 C3,C5 級,這兩種級別的傳感器可用于制作準確度等級為Ⅲ級的電子衡器。
稱重傳感器的誤差主要是由非線性誤差、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差等引起的。
近年出現(xiàn)的數(shù)字傳感器,把 A/D 轉換電路和 CPU 電路放到了傳感器里面,傳感器輸出的就不再是模擬電壓信號,而是經過處理的重量數(shù)字信號,這樣做帶來了以下幾個優(yōu)點:
1.儀表可以分別采集每個數(shù)字傳感器的信號,并通過線性方程式運算,對每一個傳感器進行單獨標定,這就使得一次性完成四角誤差修正成為可能。而使用摸擬式傳感器的衡器中最頭疼的問題就是四角誤差修正,往往要反復多次地調校才能達到要求,而每一次調校都是要將沉重的砝碼搬來搬去,既費時又費力。
2.由于儀表可以檢測到每一個傳感器的信號,所以任何一個傳感器出現(xiàn)問題都可以從儀表上觀察到,方便檢修和維護工作。
3.數(shù)字傳感器用 485 或 232 接口傳送數(shù)字信號,傳輸距離遠,且可以免受干擾??朔四M信號遠傳困難和易受到干擾的問題。
4.數(shù)字傳感器內部可以通過微處理器對傳感器的各項誤差進行修正,使得輸出的傳感器數(shù)據(jù)更加準確。
稱重傳感器被喻為電子衡器的神經系統(tǒng),它的性能在很大程度上決定了電子衡器的準確度和穩(wěn)定性。在設計電子衡器時,經常要遇到如何選用傳感器的問題。稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境,這點對正確選用傳感器至關重要,它關系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命,乃至整個衡器的可靠性和安全性。
環(huán)境給傳感器造成的景響主要有以下幾個方面:
(1) 高溫環(huán)境對傳感器造成涂覆材料館化、焊點開化、彈性體內應力發(fā)生結構變化等問題。對于高溫環(huán)境下工作的傳感器常采用耐高溫傳感器;另外,必須加有隔熱、水冷或氣冷等裝置。
(2) 粉塵、潮濕對傳感器造成短路的影響。在此環(huán)境條件下應選用密閉性很高的傳感器。不同的傳想器其密封的方式是不同的,其密閉性存在著很大差異。
常見的密封有密封膠充填或涂覆;橡膠墊機械緊固密封;焊接(氨弧焊、等離子束焊)和抽真空充氮密封。
從密封效果來看,焊接密封為最佳,充填涂覆密封膠為最差。對于室內干凈、干煤環(huán)境下工作的傳感器,可選操涂膠密封的傳感器,而對于一些在潮顯、粉塵性較高的環(huán)境下工作的傳感器,應選擇膜片熱套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的傳感器。
(3)在腐蝕性較高的環(huán)境下,如潮濕、酸性對傳感器造成彈性體受損或產生短路等影響,應選擇外表面進行過噴塑或不銹鋼外罩,抗腐蝕性能好且密閉性好的傳感器。
(4)電磁場對傳感器輸出紊亂信號的影響。在此情況下,應對傳感器的屏蔽性進行嚴格檢查,看其是否具有良好的抗電磁能力。
(5) 易燃、易爆不僅對傳感器造成徹底性的損害,而且還給其它設備和人身安全造成很大的威脅。因此,在易燃、易爆環(huán)境下工作的傳感器對防爆性能提出了更高的要求:在易燃、易爆環(huán)境下必須選用防爆傳感器,這種傳感器的密封外罩不僅要考慮其密閉性,還要考慮到防爆強度,以及電纜線引出頭的防水、防潮、防爆性等。其次對傳感器數(shù)量和量程的選擇:
傳感器數(shù)量的選擇是根據(jù)電子衡器的用途、秤體需要支撐的點數(shù)(支撐點數(shù)應根據(jù)使秤體幾何重心和實際重心重合的原則而確定)而定。一般來說,種體有幾個支撐點就選用幾只傳感器,但是對于一些特殊的秤體如電子吊鉤秤就只能采用一個傳感器,一些機電結合秤就應根據(jù)實際情況來確定選用傳感器的個數(shù)。
傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的自重、可能產生的最大偏載及動載等因素綜合評價來確定。一般來說,傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷,其稱量的準確度就越高。但在實際使用時,由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外,還存在稱體自重、皮重、偏載及振動沖擊等載荷,因此選用傳感器量程時,要考慮諸多方面的因素,保證傳感器的安全和壽命。
傳感器的計算公式是在充分考慮到影響秤體的各個因素后,經過大量的實驗而確定的。
公式如下:C=K×(W max+W)/NC-單個傳感器的額定量程;K-保險系數(shù)(一般取值在 1.3~1.5 之間);
W max-被稱物體凈重的最大值;W-稱體自重;N-秤體所采用支撐點的數(shù)量
根據(jù)經驗,一般應使稱重傳感器工作在其 30%~70%量程內,但對于一些在使用過程中存在較大沖擊力的衡器,如動態(tài)軌道衡、動態(tài)汽車衡、鋼材秤等,在選用傳感器時,一般要擴大其量程,使傳感器工作在其量程的 20%~30%之內,使傳感器的稱量儲備量增大,以保證稱重傳感器的使用安全和壽命。
再次,要考慮各種類型傳感器的適用范圍。
傳感器型式的選擇主要取決于稱量的類型和安裝空間,保證安裝合適,稱量安全可靠;另一方面,要考慮廠家的建議。廠家一般會根據(jù)傳感器的受力情況、性能指標、安裝形式、結構型式、彈性體的材質等特點規(guī)定傳感器的適用范圍,譬如鋁式懸臂梁傳感器適用于計價秤、平臺秤、案秤等;鋼式懸臂梁傳感器適用于料斗秤、電子皮帶秤、分選秤等;鋼質橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡、天車秤等;柱式傳感器適用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。
最后,還要對傳感器準確度等級進行選擇
傳感器的準確度等級包括傳感器的非線形、蠕變、蠕變恢復、滯后、重復性、靈敏度等技術指標。在選用傳感器的時候,不要單純追求高等級的傳感器,而既要考慮滿足電子秤的準確度要求,又要考慮其成本。
對傳感器等級的選擇必須滿足下列兩個條件:
1.滿足儀表輸入的要求。稱重顯示儀表是對稱重傳感器的輸出信號經過放大、A/D 轉換等處理之后顯示稱量結果的。因此,稱重傳感器的輸出信號必須大于或等于儀表要求的輸入信號大小,即將稱重傳感器的輸出靈敏度代入傳感器和儀表的匹配公式,計算結過須大于或等于儀表要求的輸入靈敏度。稱重傳感器和儀表的匹配公式:
稱重傳感器輸出靈敏度×激勵電源電壓×秤的最大稱量/秤的分度數(shù)×傳感器的個數(shù)×傳感器量程
2.滿足整臺電子秤準確度的要求。一臺電子秤主要是由秤體、傳感器、儀表三部分組成,在對稱重傳感器準確度選擇的時候,應使稱重傳感器的準確度略高于理論計算值,因為理論往往受到客觀條件的限制,如秤體的強度差一點,儀表的性能不是很好、秤的工作環(huán)境比較惡劣等因素都直接影響到秤的準確度要求,因此要從各方面提高要求,又要考慮經濟效益,確保達到目的。
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