电子秤学习报告.doc

称重传感器学习报告电子秤的组成 秤台 接线盒显示仪表传感器外设传感器秤体（承载器）一.称重传感器： 1.称重传感器常用的技术参数额定负荷（Fn）：设计规定的称重传感器在其技术指标范围内能够测量的最大负荷。单位：kg , t 。额定输出（Q n）：称重传感器在没有负荷时和施加额定负荷时的输出信号之代数差。灵敏度（S）：称重传感器的输出信号与所加的激励电压之比。单位：mv/v 。非线性（L）：称重传感器的进程校准曲线和理论直线之间的最大偏差与额定输出的百分比。滞后（H）：称重传感器的回程校准曲线和进程校准曲线之间的最大差与额定输出的百分比。重复性（R）：在相同的实验条件下，称重传感器三次进程校准曲线之间的大差与额定输出的百分比。蠕变（Cp）：在实验条件不变的情况下，称重传感器的额定输出随时间的最大变化量与额定输出的百分比。零点平衡输出：称重传感器在规定激励电压作用下，无负荷时的输出与额定输出的百分比。输入电阻：称重传感器信号输出端开路且未受负荷作用时，从激励电源的输入端测得的阻抗值。输出电阻：称重传感器激励电源输入端开路且未受负荷作用时，从信号输出端测得的阻抗值。2. 作用： 将加到秤台上的重量通过弹性体的变形引起电阻应变计的阻值变转变为成比例的电信号输出。3.分类： 按受力方式分：压式、拉式、梁式和多用式。按数据输出类型分：模拟传感器（输出为模拟量信号，如电压、电流等）和数字传感器（输出为直接的数字信号，如公斤、吨等）。按使用温度分：常温传感器（适用于日常工作环境的通用传感器）、高温传感器（是一种专用传感器，适用于冶金、核电等高温环境中）和低温传感器（是一种专用传感器，适用于低于-30的低温环境，如冷冻实验）。按结构分：柱式、桥式、轮辐式、悬臂梁式等。按工作方式分：电阻式：价格适中、精度高、使用广泛; 电容式：体积小、精度低; 磁浮式：特高精度、造价高;油压式：现市场上已淘汰。4.传感器的特性： 1.额定载荷; 2.输出灵敏度; 3.非线性; 4.滞后; 5.重复性; 6.蠕变; 7.零点输出影响; 8.额定输出温度影响; 9.零点输入; 10.输入阻抗; 11.输出阻抗; 12. 绝缘阻抗; 13.容许激励电压;(5-18V)5.传感器的特点：(1).数字式传感器向仪表输入的是数字信号，如数量、重量等；模拟式传感器向仪表输入的是模拟量信号，如电压、电流等。数字式传感器除了具有模拟式传感器的一切优点外，还有以下优点：.抗干扰能力很强：不受温度变化的影响，不受电磁干扰；数字直观显示，故障容易发现、检修：每只传感器受力的状况或轻微变化都能在仪表上直观的显示出来，出现故障很容易发现并找出是哪只传感器的故障；(2).模拟式传感器由接线盒向仪表输入若干只传感器灵敏度的统一值（几只传感器的灵敏度不同，必须统一输出），并不能反映每只传感器的具体情况，其缺点是：属于新兴传感器，虽然其良好性能已经得到验证，但维修技术还不是特别成熟和普遍，一旦发生故障，维修、换件不太方便，容易耽误客户使用。(3).柱式传感器的特点是：成本低，体积小（携带、维修方便），密封性能良好，对于潮湿环境很适用，承载能力强；其缺点是灵敏度低（如果添加或减少的重量比较小，则不容易从仪表上显示出来）、稳定性低（容易漂移，读数不准），在一定范围之内抗偏载、抗侧向能力比桥式好，必须安装限位装置（如我司2#岗、槽车地磅）。(4).轮辐式传感器：传感器本身的高度低，能承受很大的侧向力；抗偏载，对作用力点的变化不敏感；适用于轴重仪等秤体高度低的秤。(5).悬臂梁式传感器有以下特点：抗偏载能力强、准确度高，传感器受拉伸与压缩时，灵敏度基本相同，所以特别适用于同时受拉和压的测量；外形低、体积小、重量轻，易于安装和维修；缺点是满量程准确度不高。(6).桥式传感器的特点是：灵敏度高，稳定性强，能自动复位（因为桥式传感器带有钢球），不用安装限位装置；缺点是：在一定范围内，容易受侧向力的影响，误差比柱式大。（如我司改造前的槽车地磅）6.传感器的组成：电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。 （一）电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为 R：R = L/S（） （21） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长L，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少r。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作。 对式（2-1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： R = L/S + L/S SL/S2 （22） 用式（2-1）去除式（2-2）得到 R/R = / + L/L S/S （23） 另外，我们知道导线的横截面积S = r2，则 s = 2r*r，所以 S/S = 2r/r （24） 从材料力学我们知道 r/r = -L/L （25） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。是表示材料横向效应泊松系数。把式（24）（25）代入（2-3），有 R/R = / + L/L + 2L/L =（1 + 2（/）/（L/L）*L/L = K *L/L （2-6） 其中 K = 1 + 2 +（/）/（L/L） （2-7） 式（2-6）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.73.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中L/L称作为应变，记作，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便 常常把它的百万分之一作为单位，记作。这样，式（2-6）常写作： R/R = K (28) (二）.弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。 设有一带有孔的长方体悬臂梁。孔底部中心是承受纯应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉伸，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出孔底部中心点的应变表达式。 = （3Q（1+）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2-9） 其中：Q-截面上的剪力；E-扬氏模量：泊松系数；B、b、H、h为梁的几何尺寸。需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。3、 检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。传感器由三部分组成，分别是：弹性体、应变电阻片和检测电路。弹性体的作用是：传递重物本身重力并施加给应变电阻片；使应变电阻片产生理想的变形，能真实反映力的大小。变电阻片的作用是：受力变形，本身电阻值发生变化。检测电路的作用是：将电阻变化情况转换为电信号输出。检测电路现在各种称重传感器中，采用的检测电路大都为惠斯顿电桥的变形。它的功能是把电阻应变片感受到应变后，产生的电阻变化转变为电压信号输出。设有四个电阻 A B C D分别将电阻A 和电阻B 串联 ,电阻C 和电阻D 也串联，然后把上述两者并联在一起，最后将并联电路中电阻A和电阻B 之间与电阻C和电阻D 之间用一根导线连接起来，这样的电路就叫惠斯顿电桥惠斯顿电桥有四个桥臂若只有一个桥臂的电阻阻值发生变化，则我们常称之为四分之一桥；若有两个桥臂的阻值发生变化，我们常称之为半桥；若四个桥臂的阻值均发生变化，那么，我们就称之为全桥。因为全桥式等臂惠斯顿电桥的灵敏度高，各臂参数一致，容易抑制各种干扰，所以在称重传感器中，得到了广泛的应用。 如图：四个电阻R1，R2，R3，R4如图联接，在AC上加入激励电压Vi，我们来观察输出电压V0有多大。若我们认为V0 =0时，称之为电桥平衡，那么，电桥平衡的条件是R2R4-R1R3=0，即R2R4=R1R3。也就是说，只要电桥二对边阻值的乘积相等，那么，电桥就平衡了，它的输出等于零。上面所说的是任意的惠斯顿电桥均有的特性。但称重传感器中采用的多为等臂电桥，即四个桥臂的初始阻值是相同的，即R1=R2=R3=R4，也就是说，阻值若不发生变化， V0 =0。现在，我们让桥臂在原始阻值都相等的条件下，各有一个小的增量加减（见图中R下面括弧中所示。并把它们在（13）式中表达出来。） 这就是全惠斯顿电桥输出和输入（激励电压）的关系。 V0和R是线性关系。如果，在桥中，只有一个桥臂的阻值有变化，即是四分之一桥的话，可推得V0将会减小到四分之一，并出现较大的非线性。如果，在桥中，有二个桥臂的阻值发生变化，即所谓半桥的话，可推得V0将会减小到二分之一，并随着不同的桥臂组合而出现非线性较大或较小的两种情况。若是R2增加R，R1减小R，则V0和R之间有较好的线性；若是其它组合，则会使V0和R之间的线性关系变坏。在前面的叙述中，我们假设了桥的四个臂的初始阻值都相等，并且各个桥臂电阻的变化量的绝对值都相同（均为R）。但在不同结构的称重传感器中，即使各桥臂的初始值相同，它的变化量也不尽相同，例如采用立柱式弹性体的称重传感器和立筒式弹性体的称重传感器即是如此。另有一个要注意的问题是：我们推导中，使用的（11）（12）式，VB和VD是电位， V0是两点之间的电位差。所以要测试V0的值时，使用的测试仪表必须有极高的输入阻抗，因为此仪表跨接在BD之间，它的接入将会影响式（11）和（12）的准确性。 7. 制造材料：现在常见的传感器的材质有3种钢传感器：主要用在食品、化工、医药等有腐蚀性环境的场所；合金钢：用于无腐蚀性环境的场所；铝合金：一般用在量程小、价格低的场所。8. 传感器的防护：传感器的内部维护主要是内部每个焊点要保证焊牢、焊实。外部维护主要是信号线要耐老化、绝缘性要好，防止信号线挤压、扭曲、冲拉等。传感器信号线汇集到接线盒时一般都会长一段，这段线应如何处理? 应予以保留，不能剪掉。剪掉后会导致数据漂移、跳动，也会导致灵敏度偏（如果信号线电阻足够大，则每剪掉10米，就会使满量程输出值增加20-40公斤，会引起四角误差）。9.传感器的选型： 称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器茵先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。(1).环境给传感器造成的影响主要有以下几个方面：高温环境对传感器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题。对于高温环境下工作的传感器常采用耐高温传感器；另外，必须加有隔热、水冷或气冷等装置。粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的传感器。不同的传感器其密封的方式是不同的，其密闭性存在着很大差异。 常见的密封有密封胶充填或涂覆；橡胶垫机械紧固密封；焊接（氩弧焊、等离子束焊）和抽真空充氮密封。从密封效果来看，焊接密封为最佳，充填涂覆密封胶为量差。对于室内干净、干燥环境下工作的传感器，可选择涂胶密封的传感器，而对于一些在潮湿、粉尘性较高的环境下工作的传感器，应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。在腐蚀性较高的环境下，如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响，应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩，抗腐蚀性能好且密闭性好的传感器。电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。在此情况下，应对传感器的屏蔽性进行严格检查，看其是否具有良好的抗电磁能力。易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害，而且还给其它设备和人身安全造成很大的威胁。因此，在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆性能提出了更高的要求：在易燃、易爆环境下必须选用防爆传感器，这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密闭性，还要考虑到防爆强度，以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性等。(2).传感器数量和量程的选择:传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就选用几只传感器，但是对于一些特殊的秤体如电子吊钩秤就只能采用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。公式如下：C(+W)NC单个传感器的额定量程；W秤体自重；Wmax被称物体净重的最大值；N秤体所采用支撑点的数量；保险系数，一般取值在1.21.3之间；冲击系数；秤体的重心偏移系数；风压系数。例如：一台30t电子汽车衡，最大称量是30t，秤体自重为1.9t，采用四只传感器，根据当时的实际情况，选取保险系数1.25，冲击系数1.18，重心偏移系数1.03，风压系数1.02，试确定传感器的吨位。解：根据传感器量程计算公式：C(+W)N可知：C1.251.181.031.02（301.9）412.36t因此，可选用量程为15t的传感器（传感器的吨位一般只有10T、15T、20t、25t、30t、40t、50t等，除非特殊订做）。根据经验，一般应使传感器工作在其30%70%量程内，但对于一些在使用过程中存在较大冲击力的衡器，如动态轨道衡、动态汽车衡、钢材秤等，在选用传感器时，一般要扩大其量程，使传感器工作在其量程的20%30%之内，使传感器的称量储备量增大，以保证传感器的使用安全和寿命。(3).考虑各种类型传感器的适用范围:传感器型式的选择主要取决于称量的类型和安装空间，保证安装合适，称量安全可靠；另一方面，要考虑厂家的建议。厂家一般会根据传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构型式、弹性体的材质等特点规定传感器的适用范围，比如铝式悬臂梁传感器适用于计价秤、平台秤、案秤等；钢式悬臂梁传感器适用于料斗秤、电子皮带秤、分选秤等；钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡、天车秤等；柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。(4).传感器准确度等级进行选择:传感器的准