什么是称重传感器?

浏览数量:12035     作者:本站编辑     发布时间: 2013-05-06      来源:本站


称重传感器理论知识


第一节   传感器知识简介


一、什么是传感器?

传感器是将被测的某一物理量(或信号)按一定的规律转换为与其对应的另一种(或同种)物理量(或信号)输出的装置。

被测物理量       传感器        输出物理量

被测物理量

一般为非电物理量,如力、压力、重量、力矩、位移、速度、温度、角度、高度  

输出物理量

一般为易于精确处理的电量或电参量,如电流、电压、电阻、电感、频率。。。

二、传感器的分类

传感器品种

工作原理

可被测量的非电物理量

力/热敏电阻、半导体传感器

阻值变化

力、重量、压力、加速度、温度、湿度、气体

电容传感器

电容量变化

力、重量、压力、加速度、液面、湿度

感应传感器

电感量变化

力、重量、压力、加速度、转矩、磁场

霍尔传感器

霍尔效应

角度、旋进度、力、磁场

压电、超声波传感器

压电效应

压力、加速度、距离

热电传感器

热电效应

烟雾、明火、热分布

光电传感器

光电效应

辐射、角度、旋进度、位移、转矩

三、传感器发展方向

高精度、高灵敏度

高可靠性、宽温度范围、抗干扰强;

微型化(小尺寸、重量轻)和高强度

微功耗及无源化;

智能化、数字化、高响应速率;

互换性好,成本低,安全无污染方向;

抗环境影响(热、振动、酸、碱、水、空气)能力强方向

8、仿生传感器:将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟:

1、光敏——视觉;       2、声敏——听觉;

3、气敏——嗅觉;       4、化学——味觉;

5、压敏、温敏、流体传感器——触觉

第二节   称重传感器工作原理


一、称重传感器的基本知识

1、定义:GB/T7551-2008《称重传感器》

  考虑到使用地点的重力加速度(g)和空气浮力(f)的影响后,通过把其中一种被测量(质量)转换成另外一种被测量(输出)来测量质量的传感器。

被测量(质量)       称重传感器       输出

2、组成

敏感元件+传感元件+测量电路

其中:敏感元件——弹性体;

传感元件——电阻应变计;

测量电路——惠斯通电桥

二、电阻应变计工作原理

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。如下图所示:

电阻率

1、受力前(F=0)电阻值

R=ρ。L/S                          (1)

式中R——金属丝的电阻(Ω);

ρ——金属丝的电阻率(Ω*M);

L——金属丝的长度(m);

S——金属丝的横截面积(m2)(πD2/4)

D——金属丝的直径(m)

2、受力后(F0)电阻变化值

R=R*Kε                         (2)

式中R——电阻变化量;

R——原始电阻值;

K——应变计的灵敏系数;

ε——轴向应变

结论:金属丝拉伸,电阻值增加;

     金属丝压缩,电阻值减小

3、几种常见的电阻应变计外形

应变片

4、电阻应变计的组成部分

应变片2

5、我公司常用应变计的阻值(Ω

350;700;1000

三、称重传感器的工作原理

1、两个典型的力学模型

力学模型

当F>0时,R1、R3被拉伸,阻值增大;R2、R4被压缩,阻值减小。

2、惠斯顿电桥

电桥

在应变计的电测技术中,应用最广泛的测量电路是惠斯顿电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点,因此能很好地满足应变测量的要求。

电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种,当Ui为直流时该电桥为直流电桥。电桥电路如上图所示,它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成。

当R1=R2=R3=R4时,称为等臂电桥;

当(R1=R2≠(R3=R4)时,称为对输出对称电桥;(也称卧式桥)

当(R1=R4(R2=R3)时,称为对电源对称电桥(也称立式桥)

1)、直流电桥的电压输出

根据分压原理,从D-A-C半桥来看,从D经A到C的电压降为Ui,通过R1、R2的电流

I1=Ui/(R1+R2)                         (1)

R2上的电压降为I1R2,代入(1)得

UAC=Ui*R2/(R1+R2)                    (2)

同样,D-B-C半桥的电压降也是Ui,R3上的电压降为:

UBC=Ui*R3/(R3+R4)                    (3)

则输出电压UO是UBC与UAC之间的差,即

公式1

由(4)可知,当桥臂电阻满足如下条件时,即

R1R3=R2R4                       (5)

电桥的输出电压UO=0,电桥处于平衡状态。

为了保证测量的准确性,在实测之前应使电桥平衡(置零),这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。

2)、按上述力学模型解释:

当F=0时,R1R3=R2R4;U0=0;

当F>0时,R1、R3增加,R2、R4减小,U00。

若欲得到与上述电信号相反的结果时,只需将A与C(或B与D)之间的电源正、负极互换即可。

3)、当桥臂电阻的阻值发生变化时,电桥的输出电压也随着发生变化,当R<<R时,其输出电压与电阻变化率R/R(或应变ε)成线性关系。


称重传感器的分类


一、按受力方式分


二、按弹性体材料分

不锈钢:主要应用在食品、化工、医药等有腐蚀性环境的场所;

合金钢:适用于无腐蚀性环境场所;

铝合金:一般使用在量程小、价格低的市场。

三、按输出数据类别分

模拟传感器:输出为模拟量信号,如电压、电流等;

数字传感器:直接输出为我们所希望得到的数字信号,如公斤、吨等。

四、按适用温度分

常温:使用在常规场所,对温度没有特殊要求;

高温:使用在冶金、核电等温度较高(一般在100℃以上)的环境;

低温:使用在温度低于-30℃的场所,如冷冻试验。

五、按精度分

参见GB/T7551-2008《称重传感器》

六、按结构分

1、柱式(LP7134系列);

2、剪切梁式:(LP7110、LP7150系列);

3、平行梁式(LP7160、LP7120系列);

4、板环式:(LP7146等);

5、S型(LP7141、LP7142系列);

6、弯曲梁式(LP7130)等



称重传感器的应用

我公司称重主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制计量、安全过载报警、材料实验机等领域。

1、电子汽车衡          2、电子台秤

   LP7610-2

3、电子吊钩秤           4、电子计价秤

LP7650-1  

5、电子叉车秤           6、动态轴重秤

 LP7625-2 

7、电子钢材秤          8、电子轨道衡

9、称重模块(用于料斗秤、配料秤、罐装秤)



一、常见补偿内容:

1、零点不平衡输出调整;2、零点温度补偿;

3、弹性模量补偿;      4、非线性补偿;

5、灵敏度补偿;        6、输入电阻调整;

二、补偿原理图

电桥2

R1~R4:桥路应变计电阻;(常规为350Ω

作用:直接感受弹性体的应变。

RZ:零点补偿电阻;

作用:把空载输出信号调整到要求范围;

材料:康铜丝(电阻温度系数小);

特性:对温度不敏感

RT:零点温度补偿电阻;

作用:把空载下因环境温度的变化而引起的漂移加以补偿;

材料:镍电阻

特性:对温度敏感

RM:弹性模量补偿电阻;

作用:补偿因环境变化造成的传感器满负荷输出的变化;

材料:镍丝、镍片电阻

特性:对温度敏感

RM′:弹性模量补偿线性化调整电阻;

作用:调整弹模补偿的效果;

材料:金属膜电阻;

特性:对温度不敏感

RL:线性补偿电阻;

作用:调整传感器天然非线性误差,使呈线性;

材料:半导体应变计

特性:对温度敏感

RL′:线性补偿调整电阻;

作用:调整线性补偿效果

材料:金属膜电阻

特性:对温度不敏感

RS:灵敏度补偿电阻;

作用:调整传感器满负荷输出,使具有互换性;

材料:康铜丝

特性:对温度不敏感

Rj:输入电阻调整电阻

作用:调整传感器输入电阻,使具有互换性;

材料:金属膜电阻

特性:对温度不敏感


三、为什么要进行上述补偿?

零点补偿(Rz)

有些使用场合,当传感器零点超过一定范围时,现场仪表显示异常(不接收或溢出),或者控制系统报警、失控等。

零点温度补偿(Rt)

室外作业的电子衡器或其他称重检测装置,当传感器感受不同温度(如早上与中午的温差),其内部电阻值产生相应变化,最终反馈到显示或控制装置,使系统作业出现异常如数字不稳或系统零位偏差等,影响正常工作。

3、弹性模量补偿(Rm)

弹性体金属材料自身都有弹性模量(E)且随温度的变化而产生微量变化,在同样的测量负荷下,天热时仪表显示的读数要大于天冷时的读数(称量产生了偏差)。这对于高精度计量是不允许的。

4、线性补偿

是针对纯柱式结构传感器先天性线性不良传感器而言,通过补偿可有效改进传感器的精度,满足高精度计量要求。

5、灵敏度补偿

如果一张桌子有4条腿,当4条腿长度不一致时,桌子变不稳固,容易倒掉。

同样,对一台由2个以上传感器组成的电子衡器而言,若传感器的灵敏度不一致,那么这台衡器变处于非稳态,被称物品在秤台的不同方位会得到不同的结果,而最多只有一个结果是正确的。这种情况是衡器产品所不允许的,无法完成“公平交易”的目的。

6、输入电阻调整

同灵敏度补偿情况。


GB/T7551《称重传感器》标准知识


第一节  简介


1、国际建议:OIML R

是确定某些测量仪器所需计量特能的典型规程,对检查测量仪器是否合格所使用的方法和装置作出了规定。

2、本标准是根据OIML R60《称重传感器计量规程》国际建议(1991年版)及其附录A〈称重传感器评定用试验报告格式〉(1993年版)对GB7551-87〈电阻应变式称重传感器〉进行修订的。

  本标准在技术内容上与该国际建议等效。


第二节  术语和定义


一、通用术语

称重传感器:Load cell

考虑了使用地点的重力加速度空气浮力的影响后,通过将被测量(质量)转换成为另一种被测量(输出)的方式来测量质量的力传感器。

压向载荷:施加于称重传感器的压向力。

拉向载荷:施加于称重传感器的拉向力。

装有电子装置的称重传感器:采用电子元件的组件的称重传感器,该组件本身具有可确认的功能。

电子装置如:CPU、I/O接口、A/D转换器、放大器、编码器、p-n结等

产品举例:数字称重传感器

二、计量特性

准确度等级

从属于同一准确度条件下的称重传感器等级。

称重传感器族

作为型式评价或型式批准的一个称重传感器族中的传感器应有下列特征:

1)、材料相同;(合金钢、不锈钢或铝合金)

2)、设计原理相同;(电阻应变计测量技术)

3)、结构形式相同;(外形、密封方式、安装、加工方式等)

4)、技术规格相同;(灵敏度、输入电阻、电源电压、电缆情况等)

5)、一个或多个称重传感器组(准确度等级、最大检定分度数、额定温度等)

三、测量范围

测量范围

   其中:EmaxDmax

称重传感器测量范围:被测量(质量)的量值范围;

最大称量(Emax):在不超出最大允许误差的情况下,可施加于称重传感器的量(质量)的最大值。

最小静载荷(Emin):不超出最大允许误差的情况下,可施加于称重传感器的量(质量)的最小值。

安全极限载荷(Elim):可以施加于称重传感器并且不会使称重传感器工作特性产生超出规定值的一个永久性漂移的最大载荷。

测量范围内的最大载荷(Dmax):在实验或使用中,施加于称重传感器的量(质量)的最大值;

测量范围内的最小载荷(Dmin):在实验或使用中,施加于称重传感器的量(质量)的最小值;

分度值:称重传感器测量范围被分度的部分;

最大检定分度数(nmax):称重传感器测量范围可以被分度的最大检定分度数;

最小检定分度值(Vmin):测量范围可以被分度的最小检定分度值(质量);

四、测量和误差

误差

非线性(L):称重传感器进程校准曲线偏离直线的偏差。

滞后误差(H):施加同一载荷时,称重传感器两个输出读数之间的差值,一个是从最小载荷Dmin开始加至该载荷时的进程读数,另一个是从最大载荷Dmax卸至该载荷时的回程读数。

重复性(R):在恒定的测量条件下,以相同的方式数次对称重传感器施加同一载荷时,称重传感器输出读数之间的差值。

蠕变(Cp):在负荷不变,所有环境条件和其他变量也保持不变的情况下,称重传感器输出随时间的变化。

灵敏度(Se):称重传感器额定量程时的输出电压(用mV表示)与相应激励电压(用V表示)的比值。

称重传感器误差:称重传感器测量结果与被测量(施加的以质量表示的力)真值之差。

最大允许误差(mpe):称重传感器所允许的误差极限值。

温度对最小静载荷的影响:由环境温度变化引起的最小静载荷输出的变化。

温度对灵敏度的影响:由环境温度变化引起的灵敏度的变化。



第三节   分类


分类原则:将称重传感器按规定的准确度等级分类是为了便于在各种质量测量系统中应用它们。

准确度等级

称重传感器根据其综合性能可分为四个准确度等级:A级、B级、C级、D级

误差等级


最大检定分度数nmax


A级

B级

C级

D级

上限

50000

5000

500

100

下限

不限

100000

10000

1000

完整分类

应当按照以下六个部分对称重传感器进行分类:

1)、准确度等级;

2)、最大检定分度数;

3)、载荷方式;  

4)、工作温度的特殊范围(必要时);

5)、湿度符号(必要时);

6)、下面所列的辅助特征信息。


以“C3NH ↓  -5/30”为例说明

1)、“C”:准确度等级名称(A—A级;B—B级;C—C级;D—D级);

2)、“3”:以1000为单位表示的称重传感器最大检定分度数(如3代表3000;1.5代表1500);

3)、“NH”:湿度分类(如NH—未经过湿热实验;SH—经过恒定湿热实验;CH—经过交变湿热实验)

当传感器经过恒定湿热实验时,应标注SH;

当传感器经过交变湿热实验时,可标注CH或不标注。

4)、“ ↓  ”:不同加载类型传感器。其中

 上下箭头 表示拉伸;  相对箭头表示压缩; ↑或 ↓ 表示梁(剪切或弯曲)

 上下箭头相对箭头表示多向(复式)


5)、“-5/30”:表示特殊温度范围(-5~+30),当温度范围不同于-10~+40时需要标注。

另:特殊温度范围:

A级(5);

B级(15);

C、D级(30℃)


上述实例可解释为:C级,3000分度,未经湿度实验,梁式受力,使用温度范围是-5~+30℃。


传感器上最少标记

1)、制造者名称或商标;

2)、制造者的标识或传感器型号;

3)、编号;

4)、最大称量Emax



第四节  最大允许误差


称重传感器的最大允许误差与规定的传感器最大检定分度数nmax及传感器实际检定分度值v有关。

C级传感器最大允许误差(mpe)

最大允差mpe

载荷m(C级)

PLCx0.5υ

0≤m≤500υ

PLCx1.0υ

500υ<m≤2000υ

PLCx1.5υ

2000υ<m≤10000υ

说明:

1)、分配系数PLC在0.3~0.8范围内,通常取PLC=0.7;

2)、如果分配系数PLC0.7,应在证书上标明。若未标明则认为PLC为0.7。

3)、最大允许误差可正可负,适用于递增或递减载荷;

4)、上述误差限包括非线性、滞后和温度对灵敏度的影响。其他指标另行办法处理。

2、误差带:以C级传感器为例

误差带

该误差带是以一条直线作为参比的,该直线是由在20℃时的两个载荷决定的,一个是最小载荷输出,另一个是进程载荷时,载荷为测量范围(Dmax)的75%时称重传感器的输出。

3、其他指标的最大允差

1)、蠕变:

CP(30min)≤0.7mpe;

CP(20~30min)≤0.15mpe;

蠕变恢复值≤0.5mpe

2)、重复性误差:

R≤ ∣mpe〡

  要求施加3次同一载荷。




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