常用称重传感器特性及优劣比较

 技术帮助     |      2018-12-10

  称重传感器被称为电子衡器中的核心部件,称重传感器按转换方法通常分为电阻应变式、电磁力式、光电式、电容式、液压式、振动式、磁极变形式、陀螺仪式、光纤光栅式9大类,以电阻应变式传感器使用zui广。下面是几种常用的称重传感器特性及优劣比较。
 

称重传感器

  一、电阻应变式称重传感器


 

  电阻应变式称重传感器是称重传感器中应用的zui广泛的一种,以金属材料为转换组件的电阻应变计,其转换原理是基于金属电阻丝的电阻——应变效应。

 

  电阻应变式称重传感器的称量范围为几十克至数千吨,计量准确度达1/1000~1/10000,以其结构简单,安装方便,工作可靠,为大部分电子衡器所使用。

 

  电阻应变式传感器的优点是准确度高,测量范围广,寿命长,结构简单,频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

 

  电阻应变式传感器的缺点是存在机械滞后、蠕变和零漂、应变极限,对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱,但是可通过一定措施改进。

 

  二、电磁力平衡称重传感器

 

  电磁力平衡传感器的称重过程基于安培力实现。电磁力平衡传感器依靠载流线圈在恒定直流磁场中产生的电磁力与被测质量的重力平衡,实现被测质量的电信号转换。

 

  电磁力平衡称重传感器是一种高精度传感器,精度可达1/2000~1/60000,但称量范围仅在几十毫克至十千克之间,广泛用于电子分析天平,是精密质量称量的常用传感器。由于测量分辨率高、灵敏可靠、价格适宜,在精密质量称量、化学反应监测、加速度测量、水分检测等领域获得了越来越多的应用。为减小传感器的体积,简化传感器的制造工艺,降低制造成本,电磁力平衡传感器的恒定直流磁场采用永久磁铁。永久磁铁作为电磁力平衡传感器的永磁体,其磁性能的稳定性直接影响电磁力平衡传感器的精度。

 

  电磁力平衡式传感器,对传感器的生产条件要求较高,这种高精度的电子称重装置由于其独特的工作原理和工艺水平,精度非常高,主要用于高端市场。例如用高强度航空铝合金材料通过高精度电火花切割加工而成的单模块传感器,它将传统的电磁力平衡式传感器中的杠杆、上下导杆、底座以及簧片等多个零部件融为一体。由于内部无连接螺丝,从而大大提高其可靠性,同时高效的机械传输性能和扭力保护,提高了其使用寿命。

 

  三、电容式称重传感器

 

  电容式称重传感器是一种把被测的机械量,如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

 

  电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。

 

  电容式称重传感器的优点是结构简单,价格便宜,灵敏度高,过载能力强,耗电量少,造价低,准确度一般为1/200~1/500,动态响应特性好、对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。

 

  电容式称重传感器的缺点是输出有非线性,寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大等。由于电阻应变式称重传感器无法做成超高温或在超高温环境故障率非常高,所以在许多超高温环境对称量精度要求不高或只为起到安全过载保护的作用时通常使用电容式称重传感器具有一定优势,譬如炼钢厂所使用的部分高温吊钩秤。此类传感器目前应用非常稀少。

 

  四、光电式称重传感器

 

  光电式传感器包括光栅式和码盘式两种。

 

  光栅式传感器的工作原理是将光栅形成的莫尔条纹角位移转换成光电信号。光栅有两块,一个光栅装在表盘轴上可移动,另一块光栅固定。加载后,传力杠杆带动使表盘轴旋转从而带动移动光栅转动,莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表,计算移过的莫尔条纹数量,测出光栅转动角的大小,从而确定和读出被测物质量。

 

  码盘式传感器的码盘(符号板)是一块装在表盘轴上的透明玻璃,上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加载后,通过杠杆使表盘轴旋转,码盘也转过一定角度。光电池透过码盘接受光信号并转换成电信号,由电路进行处理并得到测量结果。

 

  光电式传感器曾主要用在机电结合秤上,具有稳定工作、抗干扰能力强的优点,可用于煤矿等恶劣的工业环境,但是运行速度低,不能满足高速称重的要求。近年来由于电阻应变式称重传感器的技术日趋成熟,此类传感器已基本没有在应用,作为曾经的一个过渡产品已经完成其使命,几乎退出市场。

 

  五、液压式称重传感器

 

  液压式称重传感器是指承受被测物重力时,液压油压力增大,增大的程度与物体重力成正比,测出压力的增大值,就可得到被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固,测量范围大,但准确度一般不到1/1000,有时甚至连1/100也不到。目前主要应用在对称量要求精度不高或安全过载保护方面的称重测力场合,譬如装载机秤。

 

  六、磁极变形式称重传感器

 

  磁极变形式称重传感器铁磁组件在被测物重力作用下发生机械变形时,内部产生应力并引起导磁率变化,使绕在铁磁组件(磁极)两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力,进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高,一般为1/100,适用于大吨位称量工作。几乎在整个称重传感器市场没有实际的应用。

 

  七、振动式称重传感器

 

  弹性组件受力后,其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化,即可求出被测物作用在弹性组件上的力,进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。

 

  振弦式传感器的准确度较高,可达1/1000~1/10000,称量范围为100克至几百千克,但结构复杂,加工难度大,造价高。

 

  音叉式传感器的弹性组件是音叉。音叉式传感器耗电量小,计量准确度高达1/10000~1/200000,称量范围为500g~10kg。

 

  八、陀螺仪式称重传感器

 

  从力学的观点近似的分析陀螺的运动时,可以把它看成是一个刚体,刚体上有一个方向支点,而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动,所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说,一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上,使陀螺的自转轴有角转动的自由度,这种装置的总体叫做陀螺仪。

 

  陀螺仪式传感器响应速度快(5秒),无滞后现象,温度特性好(3ppm),振动影响小,频率测量准确高,故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/30000~1/60000)。

 

  九、光纤光栅式称重传感器

 

  光纤光栅传感器(Fiber Grating Sensor)属于光纤传感器的一种,基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息,是一种波长调制型光纤传感器,光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。

 

  光纤光栅式称重传感器具有以下优点:

 

  •   (1)抗电磁干扰能力强,一般电磁辐射的频率比光波低许多,所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。
  •   (2)电绝缘性能好,安全可靠,光纤本身是由电介质构成的,而且无需电源驱动,因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。
  •   (3)耐腐蚀,化学性能稳定,由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳定性,因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。
  •   (4)体积小、重量轻,几何形状可塑。
  •   (5)传输损耗小,可实现远距离遥控监测。
  •   (6)传输容量大,可实现多点分布式测量。
  •   (7)测量范围广,可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位等。

​  文章来源:中国衡器网 作者:杨青锋