自動檢重秤如何選用稱重傳感器?

文章作者根據(jù)多年的經(jīng)驗，與大家分享了自動檢重秤應該如何選用合適的稱重傳感器。

目前，無論是針對食品、日化、制藥、石化行業(yè)的檢測，或是針對電池和汽車零件的檢驗，企業(yè)都將檢重秤作為檢驗產(chǎn)品質量和數(shù)量的關鍵手段，該衡器已越來越多地應用于眾多制造行業(yè)。隨著生產(chǎn)效率的不斷提高，生產(chǎn)全過程的穩(wěn)定性受到了挑戰(zhàn)。企業(yè)如何保證在高速的包裝生產(chǎn)線上，仍舊達到低速時的檢測高精度？企業(yè)能否在沖壓機床的振動條件下，仍舊能在輸送線上自動檢驗出細小零件的加工誤差？企業(yè)能否在高速電池自動生產(chǎn)線上，動態(tài)地稱出自動加載碳環(huán)的精確值和電解液灌裝重量的極小誤差？一致性和可靠性是生產(chǎn)企業(yè)關注的新話題，而在線檢測新技術的突破是解決這一問題的最佳途徑。

傳統(tǒng)概念上，負荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統(tǒng)稱，用單項參數(shù)評價它的計量特性。舊國標將應用對象和使用環(huán)境條件完全不同的“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項指標中的最大誤差，來確定稱重傳感器準確度等級，分別用0.02、0.03、0.05表示。

  

稱重傳感器

　　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

  

稱重傳感器

定比例轉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(圖1)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。國際法制計量組織(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成計量總誤差的各個分量進行調整，從而獲得期望的準確度。

稱重傳感器分類

　　稱重傳感器按轉換方法分為光電式、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，以電阻應變式使用最廣。

光電式傳感器

　　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，帶動移動光柵轉動，使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉換電路和顯示儀表，即可計算出移過的莫爾條紋數(shù)量，測出光柵轉動角的大小，從而確定和讀出被測物質量。

　　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時，碼盤也隨之轉過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉換成電信號，然后由電路進行數(shù)字處理，最后在顯示器上顯示出代表被測質量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機電結合秤上。

液壓式傳感器

　　如圖4所示，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量。液壓式傳感器結構簡單而牢固，測量范圍大，但準確度一般不超過1/100。

電磁力式傳感器

　　它利用承重臺上的負荷與電磁力相平衡的原理工作（圖5）。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)字轉換，即可確定被測物質量。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。

電容式傳感器

　　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量。電容式傳感器耗電量少，造價低，準確度為1/200～1/500。

磁極變形式傳感器

　　如圖7所示，鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機械變形時，內部產(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。

振動式傳感器

　　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，但結構復雜，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。

陀螺儀式傳感器

　　如圖10所示，轉子裝在內框架中，以角速度ω繞X軸穩(wěn)定旋轉。內框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接，并可繞水平軸 Y 傾斜轉動。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。轉子軸 (X軸)在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉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)。

電阻應變式傳感器

　　利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作（圖11）。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。電阻應變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應變片隨之變形，并導致電阻改變。測量電路測出應變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號輸出。電信號經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物的質量。

　　電阻應變式傳感器的稱量范圍為300g至數(shù)千kg，計量準確度達1/1000～1/10000，結構較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。

　　電阻應變式稱重傳感器原理

　　電阻應變式稱重傳感器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，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）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�。�，再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（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不可缺少的幾個主要部分。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構件。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換任務。

　　以托利多公司的SB系列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變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，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最高，各臂參數(shù)一致，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。

自動檢重秤的發(fā)展歷史

通過對歷史的研究和對眾多途徑的探索，自動檢重秤（又稱為分選秤、選別機或自動分檢衡器）最悠久和最豐富的史料在賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）被發(fā)現(xiàn)。賽默飛世爾科技公司通過多次購并，第一個在市場上推出檢重秤的企業(yè)。

圖1 Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤

早在1933年，經(jīng)過多次嘗試，利用機械設備將“如同在運動中”的產(chǎn)品自動輸送到秤臺進行稱量的方式終于實現(xiàn)。成立于1945年的美國加利福尼亞州Illumatronic公司，于1953年首次將動態(tài)稱量技術成功地應用到了商用衡器上。

在上世紀60年代中期，Illumatronic公司改名為Icore。從此在世界各地，Icore逐漸成為了“檢重秤”的代名詞。今天食品制造商采用檢重秤是日益關注產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的結果。Icore公司通過并購Acurex公司，進入了企業(yè)發(fā)展的快車道。1985年，Icore公司由后來在美國明尼蘇達州的拉姆齊工程公司（Ramsey）實現(xiàn)管理和控制，逐漸在美國和日本市場成長為一個主導檢重秤事業(yè)部、在全球各地擁有辦事處和代理商的設備制造中心。

檢重秤上的稱重傳感器類型

當前，自動檢重秤所應用的稱重傳感器主要有兩種：應變電阻傳感器和電磁補償傳感器。

影響檢重秤動態(tài)精度的因素不在于選用何種類型的傳感器。即使稱重傳感器的精度非常高，如果不能克服設備本身的電機振動、產(chǎn)品上秤的振動和基礎振動，就不能達到所期望的動態(tài)精度，哪怕是選用了精度非常高的天平傳感器。

影響檢重秤動態(tài)稱重精度的因素除了機器本身的機械振動影響之外，產(chǎn)品長度、產(chǎn)品內部晃動以及環(huán)境因素都會對精度造成影響。在相同的稱量臺長度條件下，產(chǎn)品長度越長、稱量時間越短精度會越差，克服方法是加長稱量段長度。

當檢重秤選用了電磁補償稱重傳感器時（即電子天平所采用的傳感器形式），如果檢重秤的重復性很差，就會出現(xiàn)高精度和低重復性情況。最終的結果是動態(tài)精度不佳，而且很難通過參數(shù)來調整動態(tài)稱重精度。

當檢重秤選用應變電阻傳感器時（即工業(yè)衡器、自動定量秤和配料控制等所采用的傳感器），如果檢重秤的重復性很高，就會出現(xiàn)低精度和高重復性情況。但是，最終通過調整動態(tài)和靜態(tài)比列系數(shù)，可以使檢重秤的動態(tài)精度達到很高水平。

檢重秤的核心部件為稱重傳感器。目前國際上通常采用兩種類型的稱重傳感器：應變電阻傳感器和電磁補償傳感器。

電磁補償稱重傳感器的工作原理為電動轉換原理：當電流通過處于永久磁鐵兩極間的導線時，受電磁場的作用產(chǎn)生電磁力。為了使這種系統(tǒng)達到平衡，還需要添加一些輔助裝置，如需要放置被測物的稱盤和辨別磁場中導線位置變化的位移傳感器。另外，還需要一個電流調節(jié)器和測量電流的測量回路。當未加載荷時，導線中正好流過由電流調節(jié)器控制的一定電流，使處于同樣水平位置的指示器的兩指針保持不動，系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。這時，測量儀表上被指示的電流與零位對應，即天平的零點。電磁補償稱重傳感器在實驗室中的電子天平上被廣泛采用，其特點是傳感器精度高，一般為0.001%�？紤]到稱量臺上的輸送機影響，一般稱臺的整體靜態(tài)稱量精度為量程的0.01%。傳感器內部需要電磁平衡過程，稱量穩(wěn)定時間較長，動態(tài)響應時間較慢。因此，采用電磁補償式稱重傳感器的檢重秤無法突破400件/分鐘和正負偏差300mg的動態(tài)精度瓶頸。

應變電阻稱重傳感器是在金屬鋁或不銹鋼彈性體上貼上四個電阻應變片，構成惠思通電橋。當傳感器受力時，其形狀發(fā)生變化。這樣就迫使粘貼在傳感器上的四個應變片的阻值也發(fā)生相應的變化，其中受擠壓的阻值變小，受拉伸的阻值變大。通過惠思通電橋測量電路即可較準確地測量出阻值的變化，并換算出受力的大小。應變電阻稱重傳感器普遍應用于工業(yè)衡器和各種工業(yè)場合下的特殊稱重控制，其特點是適合工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，動態(tài)響應迅速，傳感器精度為0.01%�？紤]到稱量臺上的輸送機影響，一般稱臺的整體靜態(tài)稱量精度為量程的0.03%。

賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）成功地突破了高速和高精度的瓶頸，其稱重秤的核心采用了松帶專利技術：稱重傳感器采用工業(yè)級、動態(tài)響應迅速的電阻應變式稱重傳感器。雖然Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤選用的是應變電阻稱重傳感器，但是其松帶技術使得稱量臺上沒有電機。首先，此舉實現(xiàn)了稱量臺的輕巧自重，可以忽略稱量臺本身的重量，只考慮最大產(chǎn)品重量，相對而言將稱量臺的有效稱量精度提高到0.01%。換而言之，Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤達到了與電磁補償式稱重傳感器一樣的靜態(tài)稱量精度；其次，Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤徹底消除了電機等傳動設備的振動影響，實現(xiàn)了高速高精度的夢想。在550件/分鐘的稱重過程中，根據(jù)包裝袋的不同規(guī)格，Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤的最佳動態(tài)精度可達到0.03g~ 0.05g。

來源：
賽默飛世爾科技公司 胡階明