稱重傳感器的原理及應用

    隨著技術的進步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應用到各行各業(yè),實現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱量，特別是隨著微處理機的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控制等，都應用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領域。

    1．高速定量分裝系統(tǒng)

    本系統(tǒng)由微機控制稱重傳感器的稱重和比較，并輸出控制信號，執(zhí)行定值稱量，控制外部給料系統(tǒng)的運轉，實行自動稱量和快速分裝的任務。

    系統(tǒng)采用MCS-51單片機和V/F電壓頻率變換器等電子器件，其硬件電路框圖如圖1所示，用8031作為中央處理器，BCD拔碼盤作為定值設定輸入器，物料裝在料斗里，其重量使傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與重量成正比的電信號，傳感器輸出信號經(jīng)放大器放大后，輸入V/F轉換器進行A/D轉換，轉換成的頻率信號直接送入8031微處理器中，其數(shù)字量由微機進行處理。微機一方面把物重的瞬時數(shù)字量送入顯示電路，顯示出瞬時物重，另一方面則進行稱重比較，開啟和關閉加料口、放料于箱中等一系列的稱重定值控制。

    在整個定值分裝控制系統(tǒng)中，稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關鍵部件，選用GYL-3應變式稱重測力傳感器。四片電阻應變片構成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比，而且，供橋橋壓U的變化直接影響電子稱的測量精度，所以要求橋壓很穩(wěn)定。毫伏級的傳感器輸出經(jīng)放大后，變成了0-10V的電壓信號輸出，送入V/F變換器進行A/D轉換，其輸出端輸出的頻率信號加到單片機8031定時器1的計數(shù)、輸入端T1上。在微機內部由定時器0作計數(shù)定時，定時器0的定時時間由要求的A/D轉換分辯率設定。

    定時器1的計數(shù)值反映了測量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時，計算機還根據(jù)設定值與測量值進行定值判斷。測量值與給定值進行比較，取差值提供PID運算，當重量不足，則繼續(xù)送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值，控制接口輸出控制信號，控制外部給料設備停止送料，顯示測量終值，然后發(fā)出回答令，表示該袋裝料結束，可進行下袋的裝料稱重。圖2所示為自動稱重和裝料裝置。每個裝料的箱子或袋子沿傳送帶運動，直到裝有料的電子稱下面，傳送帶停止運動，電磁線圈2通電，電子稱料斗翻轉，使料全部倒入箱子或袋子中，當料倒完，傳送帶馬達再次通電，將裝滿料的箱子或袋子移出，并保護傳送帶繼續(xù)運行，直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源，與此同時，電子稱料箱復位，電磁線圈1通電，漏斗給電子秤自動加料，重量由微機控制，當電子秤中的料與給定值相等時，電磁線圈1斷電，彈簧力使漏斗門關上。裝料系統(tǒng)開始下一個裝料的循環(huán)。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時，這個過程可以持續(xù)不斷地進行下去。必要時，*作人員可以隨時停止傳送帶，通過拔碼盤輸入不同的給定值，然后再啟動，即可改變箱或袋中的重量。

圖2  自動稱重和裝料裝置

本系統(tǒng)選用不同的傳感器，改變稱重范圍，則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業(yè)的自動包裝中。

2．傳感器在商用電子秤中的應用

    目前，商用電子計價秤的使用非常普及，逐漸會取代傳統(tǒng)的桿稱和機械案秤。電子計價秤在秤臺結構上有一個顯著的特點：一個相當大的秤臺，只在中間裝置一個專門設計的傳感器來承擔物料的全部重圖3計價秤內部結構示意圖

量，如圖3所示。常用的電子計價秤傳感器的結構如圖4所示，其中圖4（a）為雙連橢圓孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部上平面的兩個螺孔緊固；圖4（b）為梅花型四連孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部側面的三個螺孔堅固，中間支桿上粘貼補償用的應變片。這兩種形式的傳感器，在計價秤中用得最多。圖4（c）為三梁式彎曲彈性體，采樣彎曲應力，對重量反應敏感，宜用來制作小稱量計價秤。圖4（d）為三梁式剪切彈性體，采樣中間敏感梁的剪切應力，宜用來制作幾百公斤稱量范圍計價秤。

圖4  計價秤用彈性體結構

用這些復梁型高精度傳感器來支承一個大的稱重平臺，被稱重物又可能放置在任何稱臺的任意位置上，必然會產(chǎn)生四角示值誤差，對圖4（a），（b）兩種結構形式的傳感器，可通過銼磨的形式進行角差修正。對圖4(c)，(d)，它有上下兩根局部削弱的柔性輔助梁，使傳感器對側向力、橫向力和扭轉力矩具有很強的抵抗能力，可以通過銼磨輔助梁的柔性部位來調整傳感器的靈敏系數(shù)和四角誤差。圖5為一種商用電子計價秤的電路框圖。傳感器采用的是圖4（b）所示的梅花型四連孔結構，該秤具有置零、自動清除單價、零位自動跟蹤、自動去皮、次數(shù)累計和金額累計、打印輸出等功能，7段綠色熒光數(shù)碼管顯示，使用十分方便。

圖5   電子計價秤的電路框圖

  圖6是采用CHBL3型號S型雙連孔彈性體稱重傳感器制作的便攜式家用電子手提秤的原理圖，由稱重傳感器、放大電路、A/D轉換和液晶顯示四部分組成。圖中，E為9V的疊層電池，R1-R4是稱重傳感器的4個電阻應變片，R5、R6與W1組成零點調整電路。當載荷為零時，調節(jié)RW1使液晶顯示屏顯示為零。A1，A2為雙運放集成電路LM358中的兩個單元電路，組成了一個對稱的同相放大器，A/D轉換器采用ICL7106雙積分型A/D轉換器，液晶顯示采用3 1/2液晶顯示片。該電子秤精度高，簡單實用，攜帶方便。
稱重傳感器是一種高精度的傳感器，必須按規(guī)定的規(guī)格使用。若不按規(guī)定的規(guī)格使用，不僅不能發(fā)揮稱重的作用，而且容易損壞，尤其是絕對不準超過負荷安全值使用。

圖6  手提秤的電路框圖
 對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應變片，也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數(shù)的自動補償片，并從外部對它加以適當?shù)难a償。
 非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結構設計決定，通過線性補償，也可得到改善。
 滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內使用。
  在露天下使用傳感器，還應考慮陽光直射產(chǎn)生的溫度影響和風壓的影響。

以上資料為國內目前稱重傳感器的基本情況。而目前較為先進的稱重傳感器（高頻響，高精度，高量程）其工作原理及電氣則有很大不同，比如，應用在水下的稱重傳感器就有天壤之別。