梅特勒托利多傳感器梅特勒托利多傳感器

6SL3130-6AE21-0AB1 模塊

E2K-C25ME1 傳感器

6ES7972-0BB42-0XA0 接頭

290-0AA40 底座

6ES7216-2BD23-OXB8 模塊

6SE6440-2UD22-2BA1 變頻器

6ES6440-2UD21-5AA1 變頻器

DPA51CM44 繼電器

GV2LE14 斷路器

XS8C4A1PCG13 限位開關

LC1D50AM7C 接觸器

LC1D65AM7C 接觸器

LC1D11500M7C 接觸器

LC1D17000M7C 接觸器

LR9F5369 熱繼電器

452C-015 電磁閥

600-450-A63 電磁閥

DN25 PN16 球閥

DN32 PN16 球閥

FX1S-10MR-001 模塊

USB-SC09-FX 電纜

LC1D205M5C 接觸器

SKP15.000E2 執(zhí)行器

FS300R12KE3/AGDR-72C 整流晶體

AINT-14C 觸發(fā)板

1764-28BXB 模塊

6ES7322-1BH01-0AA0 模塊

6ES7321-1BH02-0AA0 模塊

LY4NJ DC24V 繼電器

DZ47-63 3P D63 斷路器

舊國標將應用對象和使用環(huán)境條件*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(qū)分。舊國標共有21項指標，均在常溫下進行試驗；并用非線性、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6項指標中的大誤差，來確定稱重傳感器準確度等級，分別用0.02、0.03、0.05表示。

衡器上使用的一種力傳感器。它能將作用在被測物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的影響，稱重傳感器的性能指標主要有線性誤差、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器準確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來，以便選用對應于某一準確度衡器的稱重傳感器。法制計量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70%，稱重傳感器的線性誤差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內(nèi)由于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。這就允許制造廠對構(gòu)成計量總誤差的各個分量進行調(diào)整，從而獲得期望的準確度 [1]  。

稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等8類，以電阻應變式使用較廣。

光電式

包括光柵式和碼盤式兩種。

光柵式傳感器利用光柵形成的莫爾條紋把角位移轉(zhuǎn)換成光電信號（圖2）。光柵有兩塊，一為固定光柵，另一為裝在表盤軸上的移動光柵。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿系統(tǒng)使表盤軸旋轉(zhuǎn)，帶動移動光柵轉(zhuǎn)動，使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計算出移過的莫爾條紋數(shù)量，測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小，從而確定和讀出被測物質(zhì)量。

碼盤式傳感器（圖3）的碼盤（符號板）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。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時，碼盤也隨之轉(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后由電路進行數(shù)字處理，后在顯示器上顯示出代表被測質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機電結(jié)合秤上。

液壓式

在受被測物重力P作用時，液壓油的壓力增大，增大的程度與P成正比。測出壓力的增大值，即可確定被測物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡單而牢固，測量范圍大，但準確度一般不超過1/100。

電容式

它利用電容器振蕩電路的振蕩頻率f與極板間距d 的正比例關系工作(圖6 )。極板有兩塊，一塊固定不動，另一塊可移動。在承重臺加載被測物時，板簧撓曲，兩極板之間的距離發(fā)生變化，電路的振蕩頻率也隨之變化。測出頻率的變化即可求出承重臺上被測物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少，造價低，準確度為1/200～1/500。

主要優(yōu)點

電阻、電感和電容是電子技術中的三大類無源元件，電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器，它實質(zhì)上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。

電容式傳感器具有下列優(yōu)點：

(1)高阻抗，小功率，僅需很低的輸入能量。

(2)可獲得較大的變化量，從而具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(3)動態(tài)響應快，工作頻率可達幾兆赫，稠b接觸測量，被測物是導體或半導體均可。

(4)結(jié)構(gòu)簡單．適應性強，可在高低溫、強輻射等惡劣的環(huán)境下工作，應用較廣。

隨著電子技術及計算機技術的發(fā)展，電容式傳感器所存在的易受干擾和易受分布電容影響等缺點不斷得以克服，而且還開發(fā)出容柵位移傳感器和集成電容式傳感器：因此它在非電量測量和自動檢測中得到廣泛應用，可測量壓力、位移、轉(zhuǎn)速、加速度、A度、厚度、液位、濕度、振動、成分含量等參數(shù)。電容式傳感器有著很好的發(fā)展前景。

主要缺點

缺點一：輸出阻抗高，負載能力差

缺點二：輸出特性非線性

缺點三：寄生電容影響大

電磁力式

它利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡的原理工作。當承重臺上放有被測物時，杠桿的一端向上傾斜；光電件檢測出傾斜度信號，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測物質(zhì)量。電磁力式傳感器準確度高，可達1/2000～1/60000，但稱量范圍僅在幾十毫克至10千克之間。

磁極變形式

鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機械變形時，內(nèi)部產(chǎn)生應力并引起導磁率變化，使繞在鐵磁元件（磁極）兩側(cè)的次級線圈的感應電壓也隨之變化。測量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力，進而確定被測物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準確度不高，一般為1/100，適用于大噸位稱量工作，稱量范圍為幾十至幾萬千克。

振動式

彈性元件受力后，其固有振動頻率與作用力的平方根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出被測物作用在彈性元件上的力，進而求出其質(zhì)量。振動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。當承重臺上加有被測物時，V形弦絲的交點被拉向下，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，即可求出被測物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準確度較高，可達1/1000～1/10000，稱量范圍為100克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復雜，加工難度大，造價高。

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，并可測出振蕩頻率。當承重臺上加有被測物時，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。測出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小，計量準確度高達1/10000～1/200000，稱量范圍為500g～10kg。

陀螺儀式

轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中，以角速度ω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。外框架經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機座聯(lián)接，并可繞垂直軸Z 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸 (X軸)在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z 轉(zhuǎn)動（進動）。進動角速度ω與外力P/2成正比，通過檢測頻率的方法測出ω，即可求出外力大小，進而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。

陀螺儀式傳感器響應時間快(5秒)，無滯后現(xiàn)象，溫度特性好（3ppm）， 振動影響小， 頻率測量準確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計量準確度(1/30000～1/60000)。

電阻應變式

利用 [2]  電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。

板環(huán)式

板環(huán)式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)具有明確的應力流線分布、輸出靈敏度高、彈性體為一整體、結(jié)構(gòu)簡單、受力狀態(tài)穩(wěn)定、易于加工等優(yōu)點。目前在傳感器生產(chǎn)中還占著較大的比例,而對這種結(jié)構(gòu)傳感器的設計公式目前還不很完善。因這種彈性體的應變計算比較復雜,通常在設計時把它看作為圓環(huán)式彈性體進行估算。特別是對1t及以下量程的板環(huán)式傳感器設計計算誤差更大,同時往往還會出現(xiàn)較大的非線性誤差。
　　
　　板環(huán)式稱重傳感器用途與特點：結(jié)構(gòu)緊湊、防護性能好。精度高、長期穩(wěn)定性好。適用于吊鉤秤、機電結(jié)合秤及其它力值的測

數(shù)字式

1.定義

數(shù)字稱重傳感器是一種能將重力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牧?電轉(zhuǎn)換裝置，它主要是指集電阻應變式稱重傳感器、電子放大器（英文簡稱AMC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術（英文簡稱ADC）、微處理器（簡稱MCU）于一體的新型傳感器。

2.特點和應用

數(shù)字稱重傳感器和數(shù)字計量儀表技術的發(fā)展已逐漸成為稱重技術領域的新寵，其以調(diào)試簡便高效、適應現(xiàn)場能力強等優(yōu)勢正在該領域嶄露頭角。

3.S型定義

S型稱重傳感器

S型稱重傳感器如圖所示是傳感器中較為常見的一種傳感器,主要用于測固體間的拉力和壓力，通用也人們也稱之為拉壓力傳感器，因為它的外形像S形狀，所以習慣上也稱S型稱重傳感器，此傳感器采用合金鋼材質(zhì)，膠密封防護處理，安裝容易，使用方便，適用于吊秤，配料秤，機改秤等電子測力稱重系統(tǒng)。

構(gòu)成

編輯

敏感元件

直接感受被測量(質(zhì)量)并輸出與被測量有確定關系的其他量的元件。如電阻應變式稱重傳感器的彈性體，是將被測物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫?電容式稱重傳感器的彈性體將被測的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰啤?/p>

變換元件

又稱傳感元件，是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y量的信號。如電阻應變式稱重傳感器的電阻應變計(或稱電阻應變片)，將彈性體的形變轉(zhuǎn)換為電阻量的變化;電容式稱重傳感器的電容器，將彈性體的位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓?。有時某些元件兼有敏感元件和變換元件兩者的職能。如電壓式稱重傳感器的壓電材料，在外載荷的作用下，在發(fā)生變形的同時輸出電量。

測量元件

將變換元件的輸出變換為電信號，為進一步傳輸、處理、顯示、記錄或控制提供方便。如電阻應變式稱重傳感器中的電橋電路，壓電式稱重傳感器的電荷前置放大器。

輔助電源

為傳感器的電信號輸出提供能量。一般稱重傳感器均需外鏈電源才能工作。因此，作為一個產(chǎn)品必須標明供電的要求，但不作為稱重傳感器的組成部分。有些傳感器，如磁電式速度傳感器，由于他輸出的能量較大，故不需要輔助電源也能正常工作。所以并非所有傳感器都要有輔助電源。

原理

編輯

電阻應變式稱重傳感器 [3]  是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)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*的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。

稱重傳感器

一、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制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)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，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)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(chǎn)生變形。設其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Δρ。

對式（2--1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，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面積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松系數(shù)。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）之間的關系。

需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù)，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、彈性體

彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務。

以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(xiàn)拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，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。下面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--截面上的剪力；E--揚氏模量：μ—泊松系數(shù)；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。

需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。

三、檢測電路

檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，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高，各臂參數(shù)*，各種干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。

常用材料

編輯

稱重傳感器性能的好壞很大程度上取決于制造材料的選擇。稱重傳感器材料包括以下幾個部分：應變片材料、彈性體材料[4]  、貼片黏合劑材料、密封膠材料、引線密封材料和引線材料。

電阻元件材料

應變片是稱重傳感器的感應部分，它將外力的大小轉(zhuǎn)化為電學量輸出，是傳感器重要的組成部分，常用的應變片基材采用高分子薄膜材料，應變材質(zhì)通常為高純度康銅 。應變片的性能不僅僅與基材和康銅純度有關，還與制造工藝有關。提高工藝技術水平也是改善傳感器性能一個很重要的方面。

彈性體材料

稱重傳感器彈性體的作用是傳遞外力，它必須具有在受到相同力大小的時候，產(chǎn)生形變一樣，因為應變片就粘貼在彈性體上面，彈性體的形變就是應變片的形變；同時它還須具有復位性，在外力消失的時候，可以自動復位。彈性體材料 [5]  通常選擇各樣金屬，主要有鋁合金、不銹鋼和合金鋼等等。

黏合劑材料

貼片黏合劑是把應變片和彈性體牢牢固定在一起，使它們產(chǎn)生的形變永遠*。由此可見，貼片黏合劑也是一個重要部件。21世紀初，使用叫多的貼片黏合劑是雙組分高分子環(huán)氧系列黏合劑。21世紀初，它的性能與它自身的純度、混合方式、儲存時間、固化方式、固化時間等關系很大，在使用之前按要仔細看它的詳細介紹。

密封膠材料

早期的稱重傳感器密封都采用密封膠，后來由于制造技術的發(fā)展，用焊接技術可以提高極大傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。雖然21世紀初很多采用了焊接技術，但是某些重要部位還需涂抹一些密封膠。密封膠一般都采用硅膠，硅膠具有穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可以防潮、防腐蝕，絕緣性能也非常好。

引線密封

傳感器輸出引線如果不固定的話，會發(fā)生損壞或松動，導致信號不穩(wěn)定或沒有輸出。21世紀初傳感器輸出都采用連接器的方式，連接器的材質(zhì)和緊固力度也會給輸出帶來影響。采用連接器跟密封膠配合使用。內(nèi)部引線也需要固定，防止其到處移動。引線的質(zhì)量也很重要，其材質(zhì)性能從高到低的排列順序依次為鍍銀、銅線和鋁線。如果周圍高頻信號、無線電波干擾嚴重的話，還需采用屏蔽電纜；在腐蝕性環(huán)境和易燃易爆場合則需要采用防腐防阻燃和防爆電纜，外加套管進行保護。 [6] 

選擇

編輯

另外，稱重傳感器的靈敏度、大分度數(shù)、小檢定分度值等也是傳感器選用中必須考慮的指標。

傳感器的數(shù)量和量程

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)秤體幾何重心和實際重心重合的原則而確定)而定。一般來說秤體有幾個支撐點就選用幾只傳感器。

傳感器的量程選擇可依據(jù)秤的大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體自重、可產(chǎn)生的大偏載及動載因素綜合評價來決定。下面給出一個經(jīng)過大量實驗驗證的經(jīng)驗公式。

公式如下：

C=K0×K1×K2×K3(Wmax+W)/N

式中 C一單個傳感器的額定量程

W一秤體自重

Wmax一被稱物體凈重的大值

N一秤體所采用支撐點的數(shù)量

K0一保險系數(shù)，一般取1.2～1.3之間

K1一沖擊系數(shù)

K2一秤體的重心偏移系數(shù)

K3一風壓系數(shù)

使用環(huán)境

稱重傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換成可測量的電信號輸出裝置。用傳感器首先要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，這點對于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。一般情況下，高溫環(huán)境對傳感器造成涂覆材料融化、焊點開化、彈性體內(nèi)應力發(fā)生結(jié)構(gòu)變化等問題；粉塵、潮濕對傳感器造成短路的影響；在腐蝕性較高的環(huán)境下會造成傳感器彈性體受損或產(chǎn)生短路現(xiàn)象；電磁場對傳感器輸出會產(chǎn)生干擾。相應的環(huán)境因素下我們必須選擇對應的稱重傳感器才能滿足必要的稱重要求。

準確度等級選擇

稱重傳感器的準確度等級包括傳感器的非線性、蠕變、重復性、滯后、靈敏度等技術指標。

應用范圍及用途

譬如鋁合金懸臂梁傳感器適合于電子計價秤、平臺秤、案秤等；鋼式懸臂梁傳感器適用于電子皮帶秤、分選秤等；鋼質(zhì)橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡等；柱式傳感器適用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。稱重傳感器主要應用在各種電子衡器、工業(yè)控制領域、在線控制、安全過載報警、材料試驗機等領域。如電子汽車衡、電子臺秤、電子叉車、動態(tài)軸重秤、電子吊鉤秤、電子計價秤、電子鋼材秤、電子軌道衡、料斗秤、配料秤、罐裝秤等。