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德國(guó)HBM稱重傳感器將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y(cè)量的信號(hào)

HBM稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置。用傳感器應(yīng)先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對(duì)正確選用HBM稱重傳感器至關(guān)重要，它關(guān)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(gè)衡器的可靠性和安全性。在HBM稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評(píng)價(jià)方法上，新舊國(guó)標(biāo)有質(zhì)的差異。主要有S型、懸臂型、輪輻式、板環(huán)式、膜盒式、橋式、柱筒式等幾種樣式。

舊國(guó)標(biāo)將應(yīng)用對(duì)象和使用環(huán)境條件不同的“稱重”和“測(cè)力”兩種傳感器合二為一來(lái)考慮，對(duì)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法未給予區(qū)分。舊國(guó)標(biāo)共有21項(xiàng)指標(biāo)，均在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)；并用非線性、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差6項(xiàng)指標(biāo)中的最大誤差，來(lái)確定HBM稱重傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)，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(cè)物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的輸出信號(hào)。

考慮到不同使用地點(diǎn)的重力加速度和空氣浮力對(duì)轉(zhuǎn)換的影響，HBM稱重傳感器的性能指標(biāo)主要有線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計(jì)量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來(lái)綜合控制傳感器準(zhǔn)確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來(lái)，以便選用對(duì)應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的HBM稱重傳感器。國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70%，HBM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(duì)靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過(guò)誤差帶δ。這就允許制造廠對(duì)構(gòu)成計(jì)量總誤差的各個(gè)分量進(jìn)行調(diào)整，從而獲得期望的準(zhǔn)確度

HBM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(dòng)式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等8類，以電阻應(yīng)變式使用。

光電式

包括光柵式和碼盤(pán)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(hào)。光柵有兩塊，一為固定光柵，另一為裝在表盤(pán)軸上的移動(dòng)光柵。加在承重臺(tái)上的被測(cè)物通過(guò)傳力杠桿系統(tǒng)使表盤(pán)軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)移動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，使莫爾條紋也隨之移動(dòng)。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計(jì)算出移過(guò)的莫爾條紋數(shù)量，測(cè)出光柵轉(zhuǎn)動(dòng)角的大小，從而確定和讀出被測(cè)物質(zhì)量。

碼盤(pán)式傳感器的碼盤(pán)（符號(hào)板）是一塊裝在表盤(pán)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(tái)上的被測(cè)物通過(guò)傳力杠桿使表盤(pán)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤(pán)也隨之轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。光電池將透過(guò)碼盤(pán)接受光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后由電路進(jìn)行數(shù)字處理，最后在顯示器上顯示出代表被測(cè)質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機(jī)電結(jié)合秤上。

液壓式

在受被測(cè)物重力P作用時(shí)，液壓油的壓力增大，增大的程度與P成正比。測(cè)出壓力的增大值，即可確定被測(cè)物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，測(cè)量范圍大，但準(zhǔn)確度一般不超過(guò)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(guān)系工作。極板有兩塊，一塊固定不動(dòng)，另一塊可移動(dòng)。在承重臺(tái)加載被測(cè)物時(shí)，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(cè)出頻率的變化即可求出承重臺(tái)上被測(cè)物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少，造價(jià)低，準(zhǔn)確度為1/200～1/500。

主要優(yōu)點(diǎn)

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

電容式傳感器具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，工作頻率可達(dá)幾兆赫，稠b接觸測(cè)量，被測(cè)物是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單．適應(yīng)性強(qiáng)，可在高低溫、強(qiáng)輻射等惡劣的環(huán)境下工作，應(yīng)用較廣。

隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)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(diǎn)不斷得以克服，而且還開(kāi)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(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，可測(cè)量壓力、位移、轉(zhuǎn)速、加速度、A度、厚度、液位、濕度、振動(dòng)、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(diǎn)

缺點(diǎn)一：輸出阻抗高，負(fù)載能力差

缺點(diǎn)二：輸出特性非線性

缺點(diǎn)三：寄生電容影響大

電磁力式

它利用承重臺(tái)上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作。當(dāng)承重臺(tái)上放有被測(cè)物時(shí)，杠桿的一端向上傾斜；光電件檢測(cè)出傾斜度信號(hào)，經(jīng)放大后流入線圈，產(chǎn)生電磁力，使杠桿恢復(fù)至平衡狀態(tài)。對(duì)產(chǎn)生電磁平衡力的電流進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，即可確定被測(cè)物質(zhì)量。電磁力式傳感器準(zhǔn)確度高，可達(dá)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(cè)物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起導(dǎo)磁率變化，使繞在鐵磁元件（磁極）兩側(cè)的次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓也隨之變化。測(cè)量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力，進(jìn)而確定被測(cè)物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準(zhǔn)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(wàn)千克。

振動(dòng)式

彈性元件受力后，其固有振動(dòng)頻率與作用力的平方根成正比。測(cè)出固有頻率的變化，即可求出被測(cè)物作用在彈性元件上的力，進(jìn)而求出其質(zhì)量。振動(dòng)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(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，V形弦絲的交點(diǎn)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(cè)物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準(zhǔn)確度較高，可達(dá)1/1000～1/10000，稱量范圍為100克至幾百千克，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，造價(jià)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(cè)出振蕩頻率。當(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，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(cè)出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進(jìn)而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小，計(jì)量準(zhǔn)確度高達(dá)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(dòng)。外框架經(jīng)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)與機(jī)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(shí)保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時(shí)，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z 轉(zhuǎn)動(dòng)（進(jìn)動(dòng)）。進(jìn)動(dòng)角速度ω與外力P/2成正比，通過(guò)檢測(cè)頻率的方法測(cè)出ω，即可求出外力大小，進(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測(cè)物的質(zhì)量。

陀螺儀式傳感器響應(yīng)時(shí)間快(5秒)，無(wú)滯后現(xiàn)象，溫度特性好（3ppm）， 振動(dòng)影響小， 頻率測(cè)量準(zhǔn)確精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計(jì)量準(zhǔn)確度(1/30000～1/60000)。

電阻應(yīng)變式

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

板環(huán)式

板環(huán)式HBM稱重傳感器的結(jié)構(gòu)具有明確的應(yīng)力流線分布、輸出靈敏度高、彈性體為一整體、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力狀態(tài)穩(wěn)定、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。目前在傳感器生產(chǎn)中還占著較大的比例,而對(duì)這種結(jié)構(gòu)傳感器的設(shè)計(jì)公式目前還不很完善。因這種彈性體的應(yīng)變計(jì)算比較復(fù)雜,通常在設(shè)計(jì)時(shí)把它看作為圓環(huán)式彈性體進(jìn)行估算。特別是對(duì)1t及以下量程的板環(huán)式傳感器設(shè)計(jì)計(jì)算誤差更大,同時(shí)往往還會(huì)出現(xiàn)較大的非線性誤差。

板環(huán)式HBM稱重傳感器用途與特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、防護(hù)性能好。精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。適用于吊鉤秤、機(jī)電結(jié)合秤及其它力值的測(cè)

數(shù)字式

1.定義

數(shù)字HBM稱重傳感器是一種能將重力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的力-電轉(zhuǎn)換裝置，它主要是指集電阻應(yīng)變式HBM稱重傳感器、電子放大器（英文簡(jiǎn)稱AMC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)（英文簡(jiǎn)稱ADC）、微處理器（簡(jiǎn)稱MCU）于一體的新型傳感器。

2.特點(diǎn)和應(yīng)用

數(shù)字HBM稱重傳感器和數(shù)字計(jì)量?jī)x表技術(shù)的發(fā)展已逐漸成為稱重技術(shù)領(lǐng)域的新寵，其以調(diào)試簡(jiǎn)便高效、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)正在該領(lǐng)域嶄露頭角。

3.S型定義

S型HBM稱重傳感器如圖1所示是傳感器中最為常見(jiàn)的一種傳感器,主要用于測(cè)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?yàn)樗耐庑蜗?/span>S形狀，所以習(xí)慣上也稱S型HBM稱重傳感器，此傳感器采用合金鋼材質(zhì)，膠密封防護(hù)處理，安裝容易，使用方便，適用于吊秤，配料秤，機(jī)改秤等電子測(cè)力稱重系統(tǒng)。

敏感元件

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

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(cè)量的信號(hào)。如電阻應(yīng)變式HBM稱重傳感器的電阻應(yīng)變計(jì)(或稱電阻應(yīng)變片)，將彈性體的形變轉(zhuǎn)換為電阻量的變化;電容式HBM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(shí)某些元件兼有敏感元件和變換元件兩者的職能。如電壓式HBM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(shí)輸出電量。

測(cè)量元件

將變換元件的輸出變換為電信號(hào)，為進(jìn)一步傳輸、處理、顯示、記錄或控制提供方便。如電阻應(yīng)變式HBM稱重傳感器中的電橋電路，壓電式HBM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(hào)輸出提供能量。一般HBM稱重傳感器均需外鏈電源才能工作。因此，作為一個(gè)產(chǎn)品必須標(biāo)明供電的要求，但不作為HBM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。