稱重傳感器的工作原理

質(zhì)量是七個基本物理量之一。在實際應(yīng)用中，質(zhì)量通常以物體重量的形式體現(xiàn)。重量是由于物體的質(zhì)量而作用在物體上的重力。

如何測量物體的重量？它是通過感應(yīng)它在重力影響下施加的壓力來完成的。通過感測施加的壓力來測量重量的裝置稱為稱重傳感器。應(yīng)變片稱重傳感器非常普遍，直接與微控制器和微型計算機連接。在本文中，我們將討論不同類型的稱重傳感器和儀表稱重傳感器。

稱重傳感器傳感器將壓力或機械力轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。稱重傳感器有多種變體，其尺寸、形狀和工作原理各不相同。稱重傳感器通常用于家庭和工業(yè)應(yīng)用。稱重傳感器在國內(nèi)的一些應(yīng)用包括個人稱重機、廚房秤、浴室秤、托盤秤和行李稱重機。稱重傳感器的一些工業(yè)應(yīng)用包括巖土工程設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、皮帶秤、料斗秤、軌道秤和車載稱重機。

稱重傳感器的尺寸、形狀、應(yīng)用和工作原理有很大差異。對稱重傳感器進行分類的最簡單方法是按工作原理分類?；诖耍瑤缀跛蟹Q重傳感器都屬于以下三個類別之一。

1. 液壓稱重傳感器

2. 氣動稱重傳感器

3. 應(yīng)變計稱重傳感器

液壓稱重傳感器通過感測施加到流體上的推力來測量機械力。它們具有典型的活塞和氣缸設(shè)置，其中流體儲存在兩個活塞之間。其中一個活塞是固定不動的。另一個活塞可在壓力或推力的作用下移動。活塞的運動會導(dǎo)致布爾登管內(nèi)的壓力發(fā)生變化，壓力表會檢測到這一變化。這些類型的稱重傳感器通常是模擬的。

氣動稱重傳感器通過感測空氣或氣體壓力來測量機械力。它具有類似的圓柱形設(shè)置，其中氣缸充滿空氣或氣體，并且可移動的活塞放置在稱重傳感器的頂部。當(dāng)壓力施加在活塞上時，氣缸內(nèi)的氣壓發(fā)生變化，導(dǎo)致空氣從氣缸底部的噴嘴中逸出。逸出的空氣/氣體施加的壓力由稱重傳感器內(nèi)的壓力表測量。

     

應(yīng)變計稱重傳感器通過感測稱重傳感器內(nèi)的一個或多個應(yīng)變計的變形來測量機械力。應(yīng)變式稱重傳感器是最常見的稱重傳感器類型。它們有多種形狀和配置。例如，棒型稱重傳感器有四個應(yīng)變片；兩個放置在酒吧的兩端。稱重傳感器以 Z 形排列在稱重秤上的兩個平臺之間。當(dāng)一些重物放在桿（頂部平臺）上時，稱重傳感器會由于施加的力而彎曲。桿中的兩個應(yīng)變計測量張力，兩個測量壓縮以檢測由此產(chǎn)生的彎曲變形。桿式稱重傳感器也稱為彎曲梁式稱重傳感器。

四個稱重傳感器以惠斯通電橋形式排列，以在典型稱重機中實現(xiàn)最大靈敏度。

應(yīng)變片稱重傳感器有多種形狀和設(shè)置。以下是一些常用類型（基于形狀）及其設(shè)置。

桿式稱重傳感器：這些也稱為彎曲梁稱重傳感器。稱重傳感器是一根直桿，桿的兩端都有孔。這些孔用于固定螺釘，以形成具有兩個平臺的 Z 形結(jié)構(gòu)。一個平臺保持固定不動，而另一個平臺可以向下彎曲并在其上放置重量。上圖顯示了桿式稱重傳感器的示例。

桿式稱重傳感器可以有一個應(yīng)變片或多個應(yīng)變片。在單個應(yīng)變片稱重傳感器中，只有一個應(yīng)變片存在于桿的兩端之間。在施加機械力時，應(yīng)變片會根據(jù)其設(shè)置承受拉力或壓力。張力或壓縮改變了應(yīng)變片的電阻值，由放大器電路檢測到。單個應(yīng)變片式稱重傳感器只有三根線，其中兩根線用于激勵（電源電壓和接地），第三根線用于模擬輸出。

帶有多個應(yīng)變片的桿式稱重傳感器更為常見。這些稱重傳感器通常有四個以惠斯通結(jié)構(gòu)連接的應(yīng)變計。桿的兩端有兩個應(yīng)變片。兩端的一對應(yīng)變片在相等和相反的方向上測量張力和壓縮——四個應(yīng)變片充當(dāng)壓力相關(guān)的可變電阻器。當(dāng)重物放置在稱重傳感器的加載點時，它會發(fā)生彎曲變形。對于滿量程負載能力，彎曲變形通常在 0.1mm 到 1mm 之間。

由于彎曲變形，應(yīng)變片對在兩端受到拉伸和壓縮，如下圖所示。

應(yīng)變片沿桿放置，它們可以在桿的彎曲變形上承受最大應(yīng)變。在內(nèi)部，應(yīng)變計排列成惠斯通結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

張力下的應(yīng)變片變得更薄和更長。結(jié)果，它的阻力增加了。受壓的應(yīng)變片會變厚變短。結(jié)果，它的阻力降低了。在正常情況下，所有應(yīng)變片的阻值相同，惠斯通電橋輸出端的電壓差為零。當(dāng)重量放在傳感器上時，應(yīng)變片 R1 和 R3 會受到拉力，導(dǎo)致電阻增加，而應(yīng)變片 R2 和 R4 會受到壓縮，導(dǎo)致電阻降低。這會在惠斯通電橋的輸出端產(chǎn)生不同的電壓。輸出電壓在 mV 范圍內(nèi)并傳遞到放大器電路。

惠斯通棒式稱重傳感器至少帶有四根電線。應(yīng)變片的激勵有兩條線，即電源電壓和地線。另外兩條線測量惠斯通電橋的差分電壓。

桿式稱重傳感器可以是單點、單端剪切梁、雙端剪切梁或鋼絲繩稱重傳感器。

S 型稱重傳感器：這些稱重傳感器用于測量懸掛重量。稱重傳感器呈 S 形，兩端有孔，用于固定懸掛螺栓或桿端。當(dāng)稱重傳感器懸掛重物時，兩端的應(yīng)變計都會受到拉力。如果重物放在稱重傳感器上，兩端的應(yīng)變計都會受到壓縮。拉桿式稱重傳感器也以相同的原理工作。

單應(yīng)變計稱重傳感器：這些稱重傳感器由單個應(yīng)變計組成。應(yīng)變計會根據(jù)其設(shè)置承受拉力或壓力。在拉伸或壓縮下，其輸出電阻發(fā)生變化，由放大電路檢測到。這些稱重傳感器可用作稱重按鈕、平面稱重傳感器和負載銷。通常，四個這樣的稱重傳感器以相等的距離放置在平臺下方以測量重量。

罐式稱重傳感器：罐式稱重傳感器類似于圓盤式稱重傳感器。這些稱重傳感器用于大容量測量，如汽車衡、鐵路車輛稱重、料斗秤和農(nóng)業(yè)秤。這些稱重傳感器設(shè)計用于僅測量壓力。

扭矩稱重傳感器：這些稱重傳感器用于測量扭矩力。扭矩是作用在物體上使其旋轉(zhuǎn)的力。下圖顯示了扭矩稱重傳感器的示例。

無論是單應(yīng)變式稱重傳感器還是惠斯通稱重傳感器，稱重傳感器的輸出電壓都表示為激勵電壓。這是作為滿載容量的 mV/V 規(guī)范提供的。例如，稱重傳感器的輸出電壓在規(guī)格表中指定為 4mV/V。如果勵磁電壓為10V，滿載時，稱重傳感器的輸出電壓為40mV。下式給出了稱重傳感器的輸出電壓 –

V輸出= V激勵* Z mV/V

其中，Z 是 mV/V 規(guī)格。

重量測量是使用稱重傳感器完成的，稱重傳感器具有各種形狀、尺寸、用例和工作原理，適用于各種應(yīng)用。這些稱重傳感器可以是單個應(yīng)變計或惠斯通稱重傳感器。根據(jù)其形狀和設(shè)置，應(yīng)變式稱重傳感器可以是彎曲梁稱重傳感器、按鈕/圓盤型、S 型、扭矩稱重傳感器或罐式稱重傳感器。甚至單個應(yīng)變計稱重傳感器也經(jīng)常用于惠斯通配置以獲得最大靈敏度。