自動檢重秤如何選用稱重傳感器?

文章作者根據(jù)多年的經(jīng)驗，與大家分享了自動檢重秤應(yīng)該如何選用合適的稱重傳感器。

目前，無論是針對食品、日化、制藥、石化行業(yè)的檢測，或是針對電池和汽車零件的檢驗，企業(yè)都將檢重秤作為檢驗產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的關(guān)鍵手段，該衡器已越來越多地應(yīng)用于眾多制造行業(yè)。隨著生產(chǎn)效率的不斷提高，生產(chǎn)全過程的穩(wěn)定性受到了挑戰(zhàn)。企業(yè)如何保證在高速的包裝生產(chǎn)線上，仍舊達(dá)到低速時的檢測高精度？企業(yè)能否在沖壓機(jī)床的振動條件下，仍舊能在輸送線上自動檢驗出細(xì)小零件的加工誤差？企業(yè)能否在高速電池自動生產(chǎn)線上，動態(tài)地稱出自動加載碳環(huán)的精確值和電解液灌裝重量的極小誤差？一致性和可靠性是生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的新話題，而在線檢測新技術(shù)的突破是解決這一問題的最佳途徑。

傳統(tǒng)概念上，負(fù)荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統(tǒng)稱，用單項參數(shù)評價它的計量特性。舊國標(biāo)將應(yīng)用對象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測力”兩種傳感器合二為一來考慮，對試驗和評價方法未給予區(qū)分。舊國標(biāo)共有21項指標(biāo)，均在常溫下進(jìn)行試驗；并用非線性、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差6項指標(biāo)中的最大誤差，來確定稱重傳感器準(zhǔn)確度等級，分別用0.02、0.03、0.05表示。

  

稱重傳感器

　　衡器上使用的一種力傳感器。它能將作用在被測物體上的重力按一

  

稱重傳感器

定比例轉(zhuǎn)換成可計量的輸出信號。考慮到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉(zhuǎn)換的影響，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、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器準(zhǔn)確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶(圖1)聯(lián)系起來，以便選用對應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的稱重傳感器。國際法制計量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70%，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)由于溫度對靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶δ。這就允許制造廠對構(gòu)成計量總誤差的各個分量進(jìn)行調(diào)整，從而獲得期望的準(zhǔn)確度。

稱重傳感器分類

　　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、振動式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等8類，以電阻應(yīng)變式使用最廣。

光電式傳感器

　　包括光柵式和碼盤式兩種。

　　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（圖2）。光柵有兩塊，一為固定光柵，另一為裝在表盤軸上的移動光柵。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿系統(tǒng)使表盤軸旋轉(zhuǎn)，帶動移動光柵轉(zhuǎn)動，使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，即可計算出移過的莫爾條紋數(shù)量，測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小，從而確定和讀出被測物質(zhì)量。

　　碼盤式傳感器（圖3）的碼盤（符號板）是一塊裝在表盤軸上的透明玻璃，上面帶有按一定編碼方法編定的黑白相間的代碼。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時，碼盤也隨之轉(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，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。

液壓式傳感器

　　如圖4所示，在受被測物重力P作用時，液壓油的壓力增大，增大的程度與P成正比。測出壓力的增大值，即可確定被測物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡單而牢固，測量范圍大，但準(zhǔn)確度一般不超過1/100。

電磁力式傳感器

　　它利用承重臺上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作（圖5）。當(dāng)承重臺上放有被測物時，杠桿的一端向上傾斜；光電件檢測出傾斜度信號，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。

電容式傳感器

　　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(圖6 )。極板有兩塊，一塊固定不動，另一塊可移動。在承重臺加載被測物時，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。測出頻率的變化即可求出承重臺上被測物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少，造價低，準(zhǔn)確度為1/200～1/500。

磁極變形式傳感器

　　如圖7所示，鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，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)的次級線圈的感應(yīng)電壓也隨之變化。測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萬千克。

振動式傳感器

　　彈性元件受力后，其固有振動頻率與作用力的平方根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出被測物作用在彈性元件上的力，進(jìn)而求出其質(zhì)量。振動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)承重臺上加有被測物時，V形弦絲的交點被拉向下，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，并可測出振蕩頻率。當(dāng)承重臺上加有被測物時，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，計量準(zhǔn)確度高達(dá)1/10000～1/200000，稱量范圍為500g～10kg。

陀螺儀式傳感器

　　如圖10所示，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。外框架經(jīng)萬向聯(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)在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時，產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z 轉(zhuǎn)動（進(jìn)動）。進(jìn)動角速度ω與外力P/2成正比，通過檢測頻率的方法測出ω，即可求出外力大小，進(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。

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

電阻應(yīng)變式傳感器

　　利用電阻應(yīng)變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作（圖11）。主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，彈性元件受力變形時，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻改變。測量電路測出應(yīng)變片電阻的變化并變換為與外力大小成比例的電信號輸出。電信號經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物的質(zhì)量。

　　電阻應(yīng)變式傳感器的稱量范圍為300g至數(shù)千kg，計量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000～1/10000，結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性較好。大部分電子衡器均使用此傳感器。

　　電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理

　　電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減�。�，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

　　由此可見，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。

  

稱重傳感器

一、電阻應(yīng)變片

　　電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。

　　設(shè)有一個金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：

　　R = ρL/S（Ω） （2—1）　

　　當(dāng)他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Δρ。

　　對式（2--1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有：

　　ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2）

　　用式（2--1）去除式（2--2）得到

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （2—3）

　　另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = πr2，則 Δs = 2πr*Δr，所以

　　ΔS/S = 2Δr/r （2—4）

　　從材料力學(xué)我們知道

　　Δr/r = -μΔL/L （2—5）

　　其中，負(fù)號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有

　　ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

　　=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

　　= K *ΔL/L （2--6）

　　其中

　　K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （2--7）

　　式（2--6））說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關(guān)系�！�

　　需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。

　　在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便

　　常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（2--6）常寫作：

　　ΔR/R = Kε (2—8)　

　　二、彈性體

　　彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。

　　以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應(yīng)力分布。

　　設(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂梁�！�

　　肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。

　　ε = （3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2--9）

　　其中：Q--截面上的剪力；E--揚氏模量：μ—泊松系數(shù)；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。

　　需要說明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。

　　三、檢測電路

　　檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵�。因為惠斯登電橋具有很多�?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。

自動檢重秤的發(fā)展歷史

通過對歷史的研究和對眾多途徑的探索，自動檢重秤（又稱為分選秤、選別機(jī)或自動分檢衡器）最悠久和最豐富的史料在賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）被發(fā)現(xiàn)。賽默飛世爾科技公司通過多次購并，第一個在市場上推出檢重秤的企業(yè)。

圖1 Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤

早在1933年，經(jīng)過多次嘗試，利用機(jī)械設(shè)備將“如同在運動中”的產(chǎn)品自動輸送到秤臺進(jìn)行稱量的方式終于實現(xiàn)。成立于1945年的美國加利福尼亞州Illumatronic公司，于1953年首次將動態(tài)稱量技術(shù)成功地應(yīng)用到了商用衡器上。

在上世紀(jì)60年代中期，Illumatronic公司改名為Icore。從此在世界各地，Icore逐漸成為了“檢重秤”的代名詞。今天食品制造商采用檢重秤是日益關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的結(jié)果。Icore公司通過并購Acurex公司，進(jìn)入了企業(yè)發(fā)展的快車道。1985年，Icore公司由后來在美國明尼蘇達(dá)州的拉姆齊工程公司（Ramsey）實現(xiàn)管理和控制，逐漸在美國和日本市場成長為一個主導(dǎo)檢重秤事業(yè)部、在全球各地?fù)碛修k事處和代理商的設(shè)備制造中心。

檢重秤上的稱重傳感器類型

當(dāng)前，自動檢重秤所應(yīng)用的稱重傳感器主要有兩種：應(yīng)變電阻傳感器和電磁補(bǔ)償傳感器。

影響檢重秤動態(tài)精度的因素不在于選用何種類型的傳感器。即使稱重傳感器的精度非常高，如果不能克服設(shè)備本身的電機(jī)振動、產(chǎn)品上秤的振動和基礎(chǔ)振動，就不能達(dá)到所期望的動態(tài)精度，哪怕是選用了精度非常高的天平傳感器。

影響檢重秤動態(tài)稱重精度的因素除了機(jī)器本身的機(jī)械振動影響之外，產(chǎn)品長度、產(chǎn)品內(nèi)部晃動以及環(huán)境因素都會對精度造成影響。在相同的稱量臺長度條件下，產(chǎn)品長度越長、稱量時間越短精度會越差，克服方法是加長稱量段長度。

當(dāng)檢重秤選用了電磁補(bǔ)償稱重傳感器時（即電子天平所采用的傳感器形式），如果檢重秤的重復(fù)性很差，就會出現(xiàn)高精度和低重復(fù)性情況。最終的結(jié)果是動態(tài)精度不佳，而且很難通過參數(shù)來調(diào)整動態(tài)稱重精度。

當(dāng)檢重秤選用應(yīng)變電阻傳感器時（即工業(yè)衡器、自動定量秤和配料控制等所采用的傳感器），如果檢重秤的重復(fù)性很高，就會出現(xiàn)低精度和高重復(fù)性情況。但是，最終通過調(diào)整動態(tài)和靜態(tài)比列系數(shù)，可以使檢重秤的動態(tài)精度達(dá)到很高水平。

檢重秤的核心部件為稱重傳感器。目前國際上通常采用兩種類型的稱重傳感器：應(yīng)變電阻傳感器和電磁補(bǔ)償傳感器。

電磁補(bǔ)償稱重傳感器的工作原理為電動轉(zhuǎn)換原理：當(dāng)電流通過處于永久磁鐵兩極間的導(dǎo)線時，受電磁場的作用產(chǎn)生電磁力。為了使這種系統(tǒng)達(dá)到平衡，還需要添加一些輔助裝置，如需要放置被測物的稱盤和辨別磁場中導(dǎo)線位置變化的位移傳感器。另外，還需要一個電流調(diào)節(jié)器和測量電流的測量回路。當(dāng)未加載荷時，導(dǎo)線中正好流過由電流調(diào)節(jié)器控制的一定電流，使處于同樣水平位置的指示器的兩指針保持不動，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。這時，測量儀表上被指示的電流與零位對應(yīng)，即天平的零點。電磁補(bǔ)償稱重傳感器在實驗室中的電子天平上被廣泛采用，其特點是傳感器精度高，一般為0.001%�？紤]到稱量臺上的輸送機(jī)影響，一般稱臺的整體靜態(tài)稱量精度為量程的0.01%。傳感器內(nèi)部需要電磁平衡過程，稱量穩(wěn)定時間較長，動態(tài)響應(yīng)時間較慢。因此，采用電磁補(bǔ)償式稱重傳感器的檢重秤無法突破400件/分鐘和正負(fù)偏差300mg的動態(tài)精度瓶頸。

應(yīng)變電阻稱重傳感器是在金屬鋁或不銹鋼彈性體上貼上四個電阻應(yīng)變片，構(gòu)成惠思通電橋。當(dāng)傳感器受力時，其形狀發(fā)生變化。這樣就迫使粘貼在傳感器上的四個應(yīng)變片的阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化，其中受擠壓的阻值變小，受拉伸的阻值變大。通過惠思通電橋測量電路即可較準(zhǔn)確地測量出阻值的變化，并換算出受力的大小。應(yīng)變電阻稱重傳感器普遍應(yīng)用于工業(yè)衡器和各種工業(yè)場合下的特殊稱重控制，其特點是適合工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，動態(tài)響應(yīng)迅速，傳感器精度為0.01%�？紤]到稱量臺上的輸送機(jī)影響，一般稱臺的整體靜態(tài)稱量精度為量程的0.03%。

賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific）成功地突破了高速和高精度的瓶頸，其稱重秤的核心采用了松帶專利技術(shù)：稱重傳感器采用工業(yè)級、動態(tài)響應(yīng)迅速的電阻應(yīng)變式稱重傳感器。雖然Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤選用的是應(yīng)變電阻稱重傳感器，但是其松帶技術(shù)使得稱量臺上沒有電機(jī)。首先，此舉實現(xiàn)了稱量臺的輕巧自重，可以忽略稱量臺本身的重量，只考慮最大產(chǎn)品重量，相對而言將稱量臺的有效稱量精度提高到0.01%。換而言之，Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤達(dá)到了與電磁補(bǔ)償式稱重傳感器一樣的靜態(tài)稱量精度；其次，Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤徹底消除了電機(jī)等傳動設(shè)備的振動影響，實現(xiàn)了高速高精度的夢想。在550件/分鐘的稱重過程中，根據(jù)包裝袋的不同規(guī)格，Thermo Scientific AC9 Rx稱重秤的最佳動態(tài)精度可達(dá)到0.03g~ 0.05g。

來源：
賽默飛世爾科技公司 胡階明