称重传感器
在现代饲料厂里，从原料进厂过磅、原料进车间计量、预混合工段载体定量、配料到成品包装出厂都离不开电子称重设备—一电子秤( electronicinstrument)，它是企业大规模生产与经营管理中的物质和技术基础。它是企业准确地内部核算及外部结算工作的必要条件；是稳定和提高产品质量、降低生产成本的技术手段；是革新生产工艺、提高生产过程自动化、控制水平、改善劳动条件和强化经营管理的物质基础；也是提高企业经济效益，提高人员的技术素质和管理水平的重要保证。
总之，电子称重设备的配置和计量工作的管理是企业的硬件与软件基础，企业产品要上品牌，计量应先行。应用先进的电子称重设备，对改善和提高其称重与控制手段，把整个生产与经营工作纳入以全面提高企业经济效益为中心的轨道上来，具有十分重要的现实意义。
电子衡器与称重设备从60年代的机械秤发展到70年代的机电结合秤。80年代以来，电子衡器与称重设备发展极为迅速，应用领域也更加广泛，其特点是称重与电脑相结合。由于各类称重传感器的设计与制造技术有突破性的进展，商品化的称重传感器的精度已达到0. 02%FS左右，而电脑尤其是单片微处理器和大规模集成电路的应用，已使电子衡器与称重设备的功耗大大降低，性能指标、可靠性和稳定性有了显著提高，实现了称重仪表的高精度、多功能和智能化。90年代工业控制微机的迅速发展，使电子衡器与称重设备技术更上了一个台阶，有些功能已远远超出了人们的想象。诸如：电子计量设备工艺流程的动态显示与控制；操作过程全汉字菜单式提示；多台电子计量设备通过上位管理机组成网络化、报表化和图表化数据生产与经营管理。因此，电子计量设备必将成为今后发展的主流，具有广阔的应用前景。
电子衡器（电子秤）应符合JJG 555-96《非自动秤通用检定规程》中第8条“电子秤的要求”；以及JJG 648-96《非连续累计自动衡器检定规程》中第6.16条款“电子衡器的要求。”
一、发展概况
由于电子技术、计算机技术、通讯技术的高度发展和应用，人类社会由工业社会向信息社会过渡，信息社会的特征是社会活动和生产活动信息化，要达到信息化社会的基本条件是信息的获取、传递、处理和控制，信息的处理加工和控制依靠现代计算机技术，而信息的获取和传递主要依靠各类传感器，计算机如同人的大脑，而传感器相当于人的感觉神经。传感器是将被测非电量转换为与之有确定对应关系的有效电量输出信号的器件。称重传感器就是把重量（非电量）线性转换成电压（电量）信号的器件，见图13-1。
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能够用于称重的传感器种类很多，就其工作原理来说，有电阻应变式、电容式、电磁式和谐振式。由于电阻应变片式称重传感器具有精度高、稳定性好（特别是温度稳定性）、测量范围广、测量速度快、结构简单、安装方便、信号便于远传等特点，目前在电子汽车衡、皮带秤、电子吊秤、计量／定量秤、打包秤和配料秤等都采用电阻应变片式称重传感器。
我国从1960年开始研制生产电阻应变片式称重传感器，但精度都不高，仅仅停留在科研上，远远满足不了商品化市场要求。80年代初国内积极地进行了称重传感器的研究工作，并从国外引进了先进的技术和工艺加工设备，从而形成了生产电阻应变式称重传感器的相关行业，一般生产传感器的量程为1kg~50t，精度为0.1~0. 02% FS，基本满足了各行各业对称重传感器的需求。
国外工业化国家，称重传感器已从模拟式发展到数字式，即把传统的称重传感器、放大器和模／数转换器组成于一体，使传感器输出信号直接为数字信号输出，直接能够与数字仪表相联。提高了信号的抗干扰能力和传输距离，90年代初美国、法国等多家公司已经商品化应用数字式传感器，用于电子汽车衡、轨道衡、台案秤等称重设备。
从今后的发展趋势来看，随着半导体，集成技术的进一步提高，新型材料不断问世，称重传感器向着小型化、集成化和智能化方向发展，智能化传感器其主要特点是具有信息变换功能，便于实现多功能多参数测试；具有自适应、统计处理和校正自诊断功能，能有效地检测有用信号、消除噪声以及进行自动补偿和线性修正。这种传感器是一种相当完善的重量信号采集转换处理部件，其综合性能、精度和可靠性等将有更大的提高。
二、电阻应变式称重传感器的组成与分类
电阻应变式称重传感器的核心元件为电阻应变片，电阻应变片的形状已由丝式过渡为箔式，采用微加工技术制造工艺生产的箔式电阻应变片具有合格率高、贴片方便等优点。电阻应变片当前采用较多的是康铜和改性镍铬合金，其中以镍铬硅锰和卡码合金（镍铬铁铝）为最好。这两种电阻应变片材料不仅有较低的电阻温度系数，而且经一定热处理工艺后，还能把它调整到与某种传感器弹性体材料相匹配，达到电阻温度系数自补偿目的。此外，这两种材料还具有良好的线性和稳定性。电阻应变式称重传感器的基础是弹性体，国内弹性体材料采用优质合金钢：40CrNiMoA、50CrVA、35CrMnSiA、30CrMnSiA、65SiMn和40Cr。
对小量程称重传感器选用铝合金和钛合金，因为这两种材料除有较高的强度外还有较小的弹性系数，因此传感器可以得到较大的输出灵敏度，由于弹性体材料的性能是决定传感器性能优劣的关键，所以，弹性体材料都经过合理的机加工、热处理等工艺精心制作而成。弹性体的结构形式很多，以弹性体应变形式分：拉力应力式（图13-2）；剪切应力式（图13-3）和扭曲应力式（图13-4）。
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2013-10-21 08:50 上传
电阻应变式称重传感器的结构形式很多，下面将常用的结构形式和使用特点分别予以介绍。
1．柱式（筒式）传感器：柱式测力和称重传感器是最早应用的一种电阻应变式传感器，其特点是结构简单紧凑，易于加工，可设计成压式或拉式，并可承受很大的载荷。缺点是位移量小，灵敏度低。为了提高灵敏度，通常把柱体加工成空心圆筒形，这种结构在提高灵敏度的同时，横断面积也增大了。这种传感器由于作用力不可能正好沿着弹性体的轴线，如弹性体受到横向力和弯矩的作用，造成传感器的线性度变差，当然实际柱式传感器在柱的顶部有两片抗弯膜片来提高弹性体抗横向力的刚度，以解决线性度差的缺点，但灵敏度下降了。这种结构适合于只承受垂直力、大吨位和低外形的场合，额定量程一般在10～250t。由于其价廉而广泛应用于汽车衡、大吨位料斗秤等。
2.S型称重传感器：s型弹性体属于复合梁式，这类传感器的弹性体，小量程多采用铝合金制成，并且并且是拉压两用，它的形式有多种，但常见的有两种，一种是双连孔型，另一种是单圆孔，用于额定量程在几公斤至几百公斤的测力与称重传感器，S型传感器是较理想的优选之一。该种传感器具有如下特点：刚度大、性能好、精度高、有较大的输出灵敏度；作用力在加载点上移动时，对输出灵敏度影响小；抗侧向力强。S型称重传感器在饲料厂的计量／定量秤、配料秤和打包秤中得到了广泛的应用。
3．剪切式称重传感器：剪切梁式传感器有矩形截面悬臂粱和圆形截面悬臂梁两种，它们的工作原理相同，均是利用剪切原理工作的。当弹性体受外力（重量）作用后，不是测量它的正应力，而是测量由剪切力引起的切应力。剪切梁式称重传感器其特点是具有很高的精度和稳定性，有很强的抗侧向能力和较低的安装尺寸，在使用中坚固可靠，经久耐用，受力支点位置变化时，对输出信号影响很小。因此该种传感器特别适用于汽车衡、电子地磅以及各种高精度电子秤上。
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四、称重传感器的数量与几何排列
电子衡器与饲料称重设备称重传感器的数量一般有1-8只。几何排列见图13-8。
图13-8A秤斗采用单只传感器，一般用于小包装秤和饲料打包秤。单只传感器与秤斗的联接方式为直接硬联接，这种方式下，要求秤斗不能过大，其截面积一般不能超过600mm×600mm，秤体的刚度要强。特点是安装简单，缺点是秤斗易振动，影响动态精度。
图13-8B秤斗采用两只传感器，安装在秤斗的轴心部位，与秤斗的联接方式采用关节万向轴承，为防止秤斗在加料或开关门时晃动，在秤斗的底部用钢丝绳水平固定，由于钢丝绳的作
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用力，会对称重传感器产生侧向力，所以这种方式下，称重传感器应选用抗侧向力较好的剪切梁式称重传感器。国内目前生产的及国外引进的饲料打包秤；大多采用这种两只传感器的联接方式。
图13-8C、D秤斗采用三只传感器，C为圆型秤斗，传感器均匀分布。D为方形或矩形秤斗，传感器为等腰三角形分布。传感器的受力形式有支承称重和吊挂称重两种。80年代至90年代初期大多数电子配料秤、工艺秤和计量秤都采用方形秤斗，传感器采用拉力式S型双孔结构。吊挂称重方式下，秤斗处于自由状态，能对地面振动起缓冲作用。缺点是占用空间较大，秤斗内残留料多。90年代中期后，大多数都采用圆形秤斗，传感器为支承称重形式，传感器与秤斗联接采用滚珠支撑，传感器采用压式剪切梁式结构。支承称重方式下，秤斗处于基本固定状态，优点是占用空间少、结构简单、无残留料，唯一缺点是对地面振动影响较敏感。
图13-8E、F、G分别采用4-8只传感器，主要用于单台面、双台面和三台平的电子汽车衡。
五、传感器量程的选择
传感器量程的确定，一般情况下按实际的秤斗皮重加上最大称量值的和，不超过传感器量程之和。电子秤传感器的量程可根据下式进行选择：
C = R（W1+W2）/N
式中，C——传感器量程；
R——裕量系数；
W1——秤斗自身重量；
W2——被称物料的最大称量值；
N——传感器个数。
裕量系数R是一个变值，范围在1.1～2，一般情况下，如果被称物料量小（小包装秤等)，不是对称下料（下料有偏心）和物料下料时对秤斗冲击力很大，这时R可选大一点1.5~2。
例：饲料打包秤，最大称量值为50kg，秤斗自重50kg，采用2只传感器，裕量系数选1.5.
则：
C = 1.5 x （50+50）/2 = 75kg
传感器量程选择75kg这一档，如没有这档量程传感器，也可选100kg的传感器，此时的裕量系数为2。
六、传感器的组合方式
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2013-10-21 09:07 上传
在电子称重设备中将多个传感器组合使用的联接方式有三种：串联工作方式、并联工作方式和串并联混用方式。其中以串联及并联工作方式居多。
图13-9为传感器串联工作方式，在这种方式下，每只传感器都有独立的工作电源（激励电源），每只传感器的输出端用串联连接方式。
由图13-9可知，如有n只传感器串联工作时，其要求称重仪表提供n个工作电源，输出阻抗也是每个传感器的n倍，输出电压也是每个传感器输出的n倍，这种工作方式优点是：输出信号大，对称重仪表的分辨率要求低，对称重传感器的性能指标一致性（灵敏度）相对来说要求低。缺点是：由于输出阻抗大，所以传感器信号在传输过程中抗干扰能力降低；供桥电源（激励电源）多，增加了设备的复杂性，可靠性下降；使用调试时，精度校正（偏载校正）麻烦，其综合精度降低，时漂增大。
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2013-10-21 09:08 上传
图13-10为n个传感器并联工作方式，在这种工作方式下，每个传感器的输入端（桥源端）并接，仅使用一个共用激励电源、传感器输出也并联．输出阻抗为1/n。这种联接方式的主要优点是：激励电源少，只用一个，仪表硬件简单；系统精度校验方便；系统精度时漂小。主要缺点是：称重传感器输出信号小，要求仪表显示分辨率高。
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