称重传感器:是什么?工作原理、类型、安装方式
2021-01-29

本文提供了您需要了解的关于称重传感器的所有内容。

本综合指南为您提供以下信息:

  • 什么是称重传感器

  • 惠斯通桥

  • 弹性元件或弹簧材料的类型

  • 称重传感器的类型

  • 气密性

  • 还有更多...


第 1 章:什么是称重传感器?

称重传感器是将机械能(拉伸和压缩力)转换为电信号的传感器。有不同的传感器操作原理可用于转换力。最常见的情况如下:

  • 应变表传感器

  • 电容力传感器

  • 压电传感器

  • 振动线传感器

  • 磁性传感器

应变计转换器

当导体被弹性变形时,应变计传感器根据改变电阻的原理工作。拉伸应力使导体的横截面变窄,长度更长;而压缩应力使它更宽更短。


Typical Strain Gauge Foil Pattern
典型应变计箔模式(从mtiinstruments.com)



这些平行导线的邮票图案粘合在金属体表面。当身体经历应力时,导线会随应力而变形,并且可以测量电阻的变化。电阻的这种变化与施加力的应力成正比。

电容力转换器

电容力传感器利用材料的电容或电荷存储量。仪器的主要部分是电容器,可配置为平面、圆柱形或球形。有时,电容力传感器也可以被视为电容应变片。


Capacitive Force Transducer

一个简单的电容力传感器由两个平行板组成,由弹性材料隔开,弹性材料也充当介电器。当介电在板上变形时,在板上施加力会增加电容。电容取决于板之间的面积和距离。

压电转换器

正如名称中建议的那样,压电传感器使用压电效应。压电效应是某些材料在机械应力下产生电荷的能力。此电荷与施加的力成正比。



Piezoelectric Transducer


使用压电效应的称重传感器通常只测量一个方向的力。如果需要从其他方向进行测量,则安装更多的传感器。

振动线转换器

振动线传感器,另一方面,利用张紧的电线或弦的自然频率变化的原则。对于字符串的给定长度、质量和材料,张力越高,频率越高。字符串中的张力与其振动频率的平方成正比。


Vibrating Wire Transducer Used as a Piezometer

在这种类型的传感器设计中,导线或串联用作力传感器。电子振荡器电路使导线以自然频率振动。导线连接到施加压力的隔膜上。随着隔膜上的压力发生变化,导线的张力也发生变化。张力的变化也改变了导线的振动频率,然后由感应线圈测量。然后,这将转换为电信号。

磁性转换器

这个名单上的最后一个是磁传感器。也被称为ABB开发的'压电器'称重传感器,该类型利用磁弹性效应或磁芯中当力施加到磁芯时发生的渗透性变化。当暴露在机械力下时,铁磁元件在施加压力时改变其'Weiss'域的磁性时刻,导致机械力运动方向的磁性特性发生变化。


Pressductor


该传感器基本上由层压铁芯和两个垂直绕组组成。通过主绕组的交流电根据'无负载'模式在磁芯中设置一个交流磁场,在垂直次级绕组中不产生电压。当负载施加到铁芯上时,磁芯渗透性的变化会导致磁通线改变其方向。方向的变化现在将设置一个磁通量,通过二次绕组。电压现在在次级绕组中感应,然后转换成可读信号。

静液压

测量力的另一个原则是静液压。这与以前的传感器不同,因为它不需要将力转换为电信号。静液压传感器由工作流体、活塞(或隔膜)和气缸组成。测量这些部件之间的压力并将其转换为可读指示,例如通过波顿管规仪进行拨号移动。气动和液压称重电池属于这一类。这些通常用于具有高入口保护等级或 ATEX 额定值的电气负载单元在经济上不切实际的危险区域。


Hydraulic Load Cell
液压称重器(从instrumentationtools.com)



应变表称重电池将聚焦,因为这些是最常用的称重载单元,由于其简单性和广泛的应用范围。

第二章:惠斯通桥

惠斯通桥是电阻器的四武装桥,通常有三个固定电阻器和一个可变电阻器。可变电阻器是传感元件或应变片。如果可变电阻器相对于其他电阻器的电阻发生变化,电流将穿过一米。基本上,惠斯通桥将应变引起的电阻变化转换为可测量的电信号。


Full Wheatstone Bridge Circuit
全惠石桥电路

其他惠斯通电桥设计使用两个可变电阻器来提高系统的灵敏度,并提供增强的电压变化作为不断变化的输入的函数。当应用于力传感器系统时,电桥电路具有两个固定电阻器和两个可变电阻器。直流电压源为电路提供能量。惠斯通桥输出是 Vout 测量的间隙电压,如图所示。间隙电压与传感器电阻值相对于电桥配置中的参考电阻的差异成正比。

此设计允许测量非常小的变化,并减少噪声对间隙电压的影响。如果输入电压波动,则不会影响间隙电压,因为它与电阻比率相关。关于不同温度的影响,由于所有电阻器都受到影响,因此该影响被取消。

第三章:弹性元件或弹簧材料的类型

许多力传感器在装配结构中采用简单的弹性元件或支柱、梁和环等元件的组合。力应用会导致这些弹性元件变形或偏转,其中运动随后由应变片感应。然后,通过惠斯通桥将其转换为可测量的输出。以下是用于称重单元的弹性元素类型。

张力或压缩类型

在此类型中,应变片的组合沿圆柱体或直梁的一侧放置。应变片以横向或纵向方向为导向,并相应地连接到惠斯通桥。当柱被压缩时,纵向应变片收缩,而横向拉伸。

Column Load Cell

  • 罗伯瓦尔型、双/平行光束或弯曲型

    Roberval 机构是一种比例,其中两个水平梁(一个位于另一个)连接到两端的垂直梁上。此配置适用于在上梁和下梁上具有四个细部分的负载单元的应变片。双梁的一端以悬臂方式固定,而另一端则承载应用的负载。应变片附着在薄部分旁边的顶部和底部表面。

    Roberval-type Load Cell
    罗伯瓦尔型称重单元(sparkfun.com)


    此配置非常适合高精度称重传感器,因为惠斯通桥的所有四臂都处于活动状态,从而产生更高的灵敏度。应用负载时,此弹性元件偏转,如上图所示,其中两个应变片张力,其他两个应变片在压缩中。

  • 剪切类型

    对于剪切应变弹性元件,应变片相对于施加负载的方向以 450 个角度定向。在此配置中,可以精确测量负载,而与负载的应用点无关。这是因为应变片的弯曲应变被取消。每个应变片的一半将经历一些弯曲应变,而另一半将经历相同的幅度,但方向相反。

    剪切应变弹性元件可进一步分类为:

    下一节将进一步讨论这些不同的形状轮廓。

    • 'I'轮廓或光束

    • 销或螺栓

    • 空心光盘

    • Z 或 S 型

    • 螺旋

这些弹性元件可以由不同的材料制成。最常见的是合金钢、铝和不锈钢。合金钢由于其成本效益而得到最广泛的应用。在称重电池中使用的一种常用合金钢是 AISI 4330,这是一种由铬、镍和硅组成的中碳低合金钢。这种合金钢具有良好的硬化性、高横向强度和韧性。

铝用于单点、低容量应用。使用铝弹性元件的主要优点是成本;铝是上述三种材料中最便宜的。常用铝合金是2023年,因为它的低蠕变和滞后特性。

不锈钢是湿性或腐蚀性应用的首选材料。不锈钢通常比合金钢贵。用于称重电池结构的热门不锈钢是合金17-4PH,或ISI 630,这是一种马森特铬镍不锈钢,稳定与镍。除了耐腐蚀性外,这些具有高强度和韧性。


第 4 章:不同的称重传感器形状

称重传感器也可以根据其外部形状进行分类。不同的形状有其自己的特定应用程序,使用前面提到的弹性元素的一个或组合。

罐类型

罐式称重传感器是最早设计的称重电池之一。其弹性元件是单拉伸或压缩柱密封,以保护应变片。容器称重传感器的容量可以从 100 磅到 500,000 磅不等,具体取决于列数。它们可以测量张力或压缩。罐式称重传感器的局限性是无法正常承受侧负载。

弯曲光束

弯曲光束称重细胞,乍一看,可能被认为是类似于剪切束。然而,两者有不同的弹性元素。弯曲梁没有应变片的截面减少,而是一直加工通过。应变片粘合,如罗伯瓦尔型称重传感器所示。


单端剪切光束

这些称重传感器使用上述'I'型剪切束的概念。在此设计中,弹簧材料的弹性元件具有带应变片粘合的减面。剪切束的一端包含安装孔,而另一端是施加负载的地方。这些通常用于低轮廓级应用。


双端剪切光束

双端剪切光束类似于单端剪切光束。双端剪切束的两端固定,负载应用于称重传感器的中心,而不是仅在一端固定, 将负载应用于负载单元的中心。


负载销或螺栓

负载测量销或螺栓用于测量张力。这些实际上是短的厚壁管,应变片粘合在中心部分的每一侧,与管轴的 450 角。负载测量销或螺栓通常安装在机器中,以代替正常轴,作为组件的正常部分。


圆板式类型

这些是空心圆盘加载单元,其圆形孔阵列位于圆盘中心半径的一半。剪切应变片相对于装载轴以 450 角位于这些孔内。

Z 或 S 型

这些称重传感器的弹性元件在两端均因张力或压缩而变形。其应变片通常以'X'模式配置。这些应变片结构紧凑、价格低廉、单片化且易于安装。

螺旋载重单元

这些基于线伤弹簧的原理。螺旋的工作原理是将应用的负载转换为导线中的扭转力。由于扭转力力如何通过螺旋传播,此配置对轴外加载不敏感。应变片的方向并不重要。

按钮加载单元

弹性元件通常是弯曲环、弯曲膜或隔膜,具体取决于制造商的设计,但它最终利用了弯曲梁弹性元件的原理。这些称重单元具有低调,可用于各种应用。但是,它们只能测量压缩。按钮加载单元的较小轮廓称为微型称重载单元。


第4章:称重电池气密度

应变片由细线(容易受到环境影响)提供。不同的温度可以扩大或收缩应变片,产生噪音和不准确的测量。腐蚀也会潜入弹性元件中,从而缩短设备的使用寿命。除了可能的损坏外,称重传感器本身还可能导致环境安全问题。对于工业工厂(如炼油厂或化工厂)的应用,存在点燃易燃液体和气体的风险。出于这些原因,称重传感器构造在以下任一方面。

密封

密封式称重器提供最佳保护。这是通过焊接、环氧密封或玻璃对金属粘合实现的。内腔充满加压惰性气体。密封的称重载单元是空气和水密,其特点是入口保护 (IP) 额定值。


  • 打开

    这些设计在室内或受保护的室外应用中的正常环境中。开放称重电池的环境保护是通过软树脂或橡胶覆盖物。这种类型的保护使应变片容易受到水分和温度波动的影响。

  • 防爆

    防爆意味着称重电池将包含或防止可能源自设备内部的爆炸。对于内部腔暴露于易燃气体的任何设备或设备,这些气体最终会在充满爆炸性混合物的腔内蠕变。来自称重电池的火花将点燃这种混合物,引起爆炸。通过控制、能量限制和隔离相结合,可以达到防爆等级。

第 6 章:称重传感器规格

    在使用称重单元设计系统时,必须考虑以下事项。
  • 额定容量或额定负载是称重电池可以测量的最大容量或重量。在设计测量特定重量的系统时,称重电池额定容量必须大于重量。

  • 过载额定值(安全)是可应用于称重传感器的最大负载,而不会导致测量特性或性能的永久性变化。

  • 过载额定值(终极),另一方面,是最大负载,可以施加而不造成损坏的负载单元。

  • 额定输出是以 mV/V 表示的激励电压强度的电输出信号。

  • 零平衡是无负载时具有额定激励电压的电输出信号。

  • 激励电压是提供给传感器电路的电压。

  • 非线性是称重传感器的校准曲线偏差,从零负载到电池的最大额定容量。这是整个工作范围内的称重误差。

  • 滞后是相同应用负载的两个称重单元输出读数之间的差值。一个读数是通过从零增加负载获得,而另一个读数是通过从负载单元的最大额定容量中减少负载获得。

  • 组合误差是非线性和滞后的组合。

  • 可重复性是相同负载条件下重复负载的负载单元输出读数之间的最大差异。

  • 温度对额定输出的影响是温度变化导致的输出读数偏差。

  • 温度对零的影响是温度变化引起的零平衡的偏差。

  • 输入和输出电阻是负载单元电路的电阻,分别测量在正负和负到正激励引线。

  • 绝缘电阻是负载单元电路和称重电池壳体之间测量的称重电池的电阻。

第 7 章:加载单元应用

与机械秤相比,由于其紧凑的外形,所有需要称重的工业都使用称重传感器。称重传感器应用不限于称重;负载单元也用于自动化和结构监控。下面列出了称重传感器的一般应用。

工业和制造工艺称重

工业和制造厂使用称重传感器测量其原材料和成品的数量。此外,沿工艺线,需要知道有多少材料存在,以便可以相应地调整工艺参数。装载单元用于工业设备,如料斗、筒仓、储罐、输送机、包装机等。

测试和实验室

此类别下使用称重传感器的热门设备是通用测试机。实验室秤还使用高精度的称重传感器。但是,除应变片外,其他力传感器原理也用于其他。


A Universal Testing Machine or UTM


自动化和过程控制

来自称重传感器的输出信号可通过流程线作为反馈信号进行自动化。装载单元用于自动包装、分配和分拣。

称重机和秤

装载单元还用于卡车平台、称重桥、起重机、铁路等。此类别的称重单元主要用于测量装载到卡车和集装箱上的货物。


Truck Weighbridge

结论:

  • 已开发出几种类型的力传感器原理,如电阻、电容、压电、振动线和磁。其中,电阻传感器是最常见的。这些传感器也称为应变片。

  • 惠斯通桥是能够将应变片电阻变化转化为可测量的电输出的电路。

  • 弹性元件或弹簧材料是应变片粘合或连接的地方。弹性元件发生变形,然后转移到应变片上。这些根据负载方向进行分类:拉伸或压缩、弯曲和剪切。

  • 应变片的形状和轮廓不同,其特征是内部的弹性元件。常见的称重电池形状有罐型、弯曲梁、剪切梁、负载销等。

  • 应变片由薄的、邮票一样、容易损坏和噪声的电路组成。根据应用程序的不同,有多种结构可用。最密封的构造是密封的称重电池。



来自丽景的称重传感器

我们的称重传感器类别包括:

·        S型称重传感器

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