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日本SHINKO新光電子ViBRA高精度音叉式電子天平HJ33K0.1 CTB703TR
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文詳細(xì)介紹了地磅的9種常見稱重傳感器的測(cè)量原理，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)地磅的選用提供了一定的指導(dǎo)作用。
0.引言
地磅是利用稱量原理，確定物體的質(zhì)量或作為質(zhì)量函數(shù)的其它量值、數(shù)值、參數(shù)或特性的一種計(jì)量?jī)x器，包括各種形式的天平和秤。天平通常是進(jìn)行質(zhì)量量值傳遞和精密稱量用的高準(zhǔn)確度或特種準(zhǔn)確度的衡器；而秤則是生產(chǎn)過程或商業(yè)流通領(lǐng)域中直接稱量用的普通準(zhǔn)確度或中等準(zhǔn)確度的衡器。
地磅的結(jié)構(gòu)主要是由承重系統(tǒng)、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (即傳感器）、示值系統(tǒng)（顯示器）三大部分組成，其工作原理是以機(jī)械或電子的方式平衡被測(cè)物重力，通過傳感器將力轉(zhuǎn)換成可以檢出的電信號(hào)并予以顯示。稱重傳感器是電子衡器的關(guān)鍵部件,根據(jù)其工作原理,分為電阻應(yīng) 變片式、電磁力平衡式、電容式、光電式、液壓式、振動(dòng)式、 磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式等9大類。
1.電阻應(yīng)變片式傳感器
金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：
R =p js(1)
式中:p—金屬導(dǎo)體的電阻率（cm2/m);
S一導(dǎo)體的截面積(cm2);
L一導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m)。
電阻應(yīng)變片式傳感器是將應(yīng)變片受力形變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的敏感器件。電阻應(yīng)變片通過特殊的黏合劑緊密粘合于基體上，當(dāng)基體受力產(chǎn)生形變時(shí),應(yīng)變片同時(shí)發(fā)生形 變,從而使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，經(jīng)惠斯頓電橋，如圖 1所示,將電阻變化轉(zhuǎn)化為電（電壓或電流）信號(hào),從而完 成了將外力變化為電信號(hào)的過程。
電阻應(yīng)變片式傳感器廣泛應(yīng)用于地磅中，其稱量范圍為幾十克到數(shù)千噸，精度達(dá)1/1000 ~ 1/10000。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍廣、頻響特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化、能在惡劣條件下工作、壽命長(zhǎng)；它的缺點(diǎn)是機(jī)械滯后、蠕變和零漂、應(yīng)變極限、對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號(hào)較弱，但可以通過一定措施改進(jìn)。
2.電磁力平衡式傳感器
電磁力平衡式傳感器的稱重過程基于安培力實(shí)現(xiàn)。如圖2,在導(dǎo)線上加上秤盤,秤盤及導(dǎo)線本身具備的重力 方向朝下,而通電導(dǎo)線受到向上的電磁力，當(dāng)通過導(dǎo)線的電流值達(dá)到某一值時(shí),這兩個(gè)力相互平衡,此時(shí)傳感器就 處于平衡狀態(tài)。在秤盤上加載重物后，向下的重力增加，秤盤自然就朝下移動(dòng),傳感器就處于不平衡狀態(tài),如需要 再次達(dá)到平衡狀態(tài),就需要加大通過導(dǎo)線的電流,使得由電流產(chǎn)生的電磁力大小與加上物體后受到的重力相等，秤盤才恢復(fù)到平衡位置。電磁力平衡傳感器依靠載流線圈在恒定直流磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電磁力與被測(cè)質(zhì)量的重力平衡,實(shí)現(xiàn)被測(cè)質(zhì)量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換。
電磁力平衡傳感器廣泛用于電子分析天平，是精密質(zhì)量稱量的常用傳感器，精度達(dá)1/2000 ~1/60000,稱量 范圍在幾十毫克到十千克之間。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量分辨率 高、價(jià)格適宜，靈敏可靠、在精密質(zhì)量稱量、加速度測(cè)量、 化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)、水分檢測(cè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的 缺點(diǎn)是對(duì)傳感器的生產(chǎn)條件要求較高，目前世界上只有 為數(shù)不多的幾家大廠掌握這種技術(shù)。
3.電容式傳感器
電容式傳感器是一種把被測(cè)的機(jī)械量,如壓力、位移等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。其敏感部件電容器通常由極間充滿空氣的兩個(gè)平行電極組成,如圖3所示。忽略邊緣效應(yīng),平板電容器的電容為：
式中:s—極間介質(zhì)的介電常數(shù) 4一兩電極互相覆蓋的有效面積 5—兩電極間的距離
S、A、e三個(gè)參數(shù)均可引起電容量變化，電容式傳感器對(duì)應(yīng)分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。
電容式傳感器精度達(dá)1/200 ~ 1/500。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、過載能力強(qiáng)、耗電量少、造價(jià)低、對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng);其缺點(diǎn)是輸出有非線性、寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大等。此類傳感器目前應(yīng)用十分稀少。
4.光電式傳感器
光電式傳感器包括光柵式和碼盤式兩種。
（1）光柵式
光柵式傳感器的工作原理是將光柵形成的莫爾條紋角位移轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)。有兩塊光柵,一塊光柵裝在表 盤軸上可移動(dòng)，另一塊光柵固定。加載重物后,在傳力杠 桿帶動(dòng)下表盤軸旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)移動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，莫爾條紋 也隨之移動(dòng)。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表,計(jì)算移過的莫爾條紋數(shù)量,測(cè)出光柵轉(zhuǎn)動(dòng)角的大小,從而確定和 讀出被測(cè)物重量。
（2）碼盤式
碼盤式傳感器的碼盤（符號(hào)板）是一塊裝在表盤軸上的透明玻璃，上面帶有按一定編碼方法編定的黑白相間的代碼。加載物體后,通過杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時(shí),碼盤 也轉(zhuǎn)過一定角度。光電池透過碼盤接受光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)，由電路進(jìn)行處理并得到測(cè)量結(jié)果。
光電式傳感器曾主要用于機(jī)電結(jié)合秤上。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是運(yùn)行速度低，不能滿足高速稱重要求。該類型傳感器作為曾經(jīng)的一個(gè)過渡產(chǎn)品已完成使命,幾乎退出市場(chǎng)。
5.液壓式傳感器
液壓式傳感器利用液壓油壓力與所承受的被測(cè)物重力（質(zhì)量）成正比，只要測(cè)出液壓油壓力的增大值,就可 得到被測(cè)物的質(zhì)量。
液壓式傳感器的精度一般不到1/1000,有時(shí)甚至連 1/100也不到。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，測(cè)量范圍大。
6.磁極變形式傳感器
磁極變形式傳感器的鐵磁元件在被測(cè)物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起磁導(dǎo)率變化,使繞 在鐵磁元件（磁極）兩側(cè)的次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓也隨之變化。測(cè)量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力, 進(jìn)而確定被測(cè)物的質(zhì)量。
磁極變形式傳感器的精度不高，_般為1/100。
7.振動(dòng)式傳感器
彈性元件受力后，其固有振動(dòng)頻率與作用力的平方根成正比。測(cè)出固有頻率的變化，即可求出被測(cè)物作用在彈性元件上的力，進(jìn)而求出其質(zhì)量。振動(dòng)式傳感器有振弦式和音叉式兩種。
振弦式傳感器的彈性元件是弦絲。當(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí),V形弦絲的交點(diǎn)被拉向下，且左弦的拉力增大,右弦的拉力減小。兩根弦的固有頻率發(fā)生不同的變化。求出兩根弦的頻率之差，即可求出被測(cè)物的質(zhì)量。振弦式傳感器精度較高，達(dá)1/1000 ~1/10000,稱量范圍在100克到幾百千克；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大, 造價(jià)高。
音叉式傳感器的彈性元件是音叉。音叉端部固定有壓電元件，它以音叉的固有頻率振蕩，并可測(cè)出振蕩頻率。當(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，音叉拉伸方向受力而固有頻率增加,增加的程度與施加力的平方根成正比。測(cè)出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進(jìn)而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器精度高達(dá)1/10000 ~1/ 200000,稱量范圍在500g到10kg之間。
8.陀螺儀式傳感器
陀螺儀的基本部件有陀螺轉(zhuǎn)子、內(nèi)/外環(huán)、附件等,如 圖4所示，轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)環(huán)中，以角速度《繞X軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。內(nèi)框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接,并可繞水平軸Y傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)。外環(huán)經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機(jī)座聯(lián)接，并可繞垂直軸Z 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸X在未受外力作用時(shí)保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力F作用時(shí),產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸 Z轉(zhuǎn)動(dòng)（進(jìn)動(dòng)）。進(jìn)動(dòng)角速度《與外力F成正比,通過檢測(cè)頻率的方法測(cè)出即可求出外力大小,進(jìn)而求出產(chǎn)生 此外力的被測(cè)物的質(zhì)量。
陀螺儀式傳感器精度高,達(dá)1/100000,另外,還具有響 應(yīng)時(shí)間快,無滯后現(xiàn)象,溫度特性好,振動(dòng)影響小等優(yōu)點(diǎn)。
鋼鐵4.jpg
9.光纖光柵式傳感器
光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格波長(zhǎng)的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)變同時(shí) 敏感，因此,解決交叉敏感問題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用化的前提，通常可利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫 度與應(yīng)變傳感器,通過確定兩個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響 應(yīng)靈敏度系數(shù),利用兩個(gè)二元一次方程解出溫度和應(yīng)變。
光纖光柵式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):抗電磁干擾；電絕緣性能好,安全可靠；耐腐蝕,化學(xué)性能穩(wěn)定;體積小、重 量輕、幾何形狀可塑;傳輸損耗小，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè);傳輸容量大，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量;傳輸范圍廣，可 測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位 等。就目前而言,光纖光柵式傳感器大多還處于研究和 實(shí)驗(yàn)階段。
10.結(jié)束語
電磁力平衡式傳感器和電阻應(yīng)變片式傳感器發(fā)展相對(duì)成熟,前者主要用于市場(chǎng)如分析天平、精密天平、微量天平和超微量天平等，后者在電子天平和衡器中均有廣泛應(yīng)用；光電式傳感器和磁極變形式傳感器在性能方面缺乏優(yōu)勢(shì),逐漸被市場(chǎng)淘汰;而振動(dòng)式傳感器和陀螺 儀式傳感器雖然具有較高的精度，但由于其造價(jià)高昂而 并未被廣泛使用。電容式稱重傳感器在許多超高溫環(huán)境 對(duì)稱量精度要求不高或只為起到安全過載保護(hù)作用時(shí)使 用具有一定優(yōu)勢(shì),譬如煉鋼廠使用的部分高溫吊鉤秤;液 壓式傳感器應(yīng)用場(chǎng)合較少，目前主要應(yīng)用在對(duì)稱量要求 精度不高或安全過載保護(hù)方面的稱重測(cè)力場(chǎng)合，譬如裝 載機(jī)秤。雖然目前電磁力平衡式傳感器和電阻應(yīng)變片式 傳感器在電子衡器中是主流，但它們受溫度、氣流、電磁干擾等環(huán)境影響較大,且傳輸容量小,未來光纖光柵式傳感器的大力發(fā)展必將成為趨勢(shì)。
