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        幾種稱重傳感器技術特性及應用分析

        更新時間:2016-03-30      點擊次數:2560

        現代信息技術的三大基礎是信息的采集、傳輸和處理技術,即傳感技術、通信技術和計算機技
        術,它們分別構成了信息技術係統的“感官”、“神經”和“大腦”。信息采集係統的首要部件是傳感器,
        且置於係統的zui前端。在一個現代自動檢測係統中,如果沒有傳感器,就無法監測與控製表征生產
        過程中各個環節的各種參量,也就無法實現自動控製。在現代技術中,傳感器實際上是現代測試技
        術和自動化技術的基礎。 
        稱重傳感器被稱為電子衡器中的核心部件。科學技術的飛速發展,由稱重傳感器組裝的電子衡
        器也已廣泛地應用到各行各業,實現了對物料的快速、準確稱量。特別是隨著微處理機的出現,工
        業生產過程自動化程度不斷提高,稱重傳感器已成為某些過程控製中的一種必需的部件,目前,稱
        重傳感器幾乎運用到了各行各業。 
        稱重傳感器按轉換方法通常分為電阻應變式、電磁力式、光電式、電容式、液壓式、振動式、
        磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式 9 大類,以電阻應變式使用zui廣。下麵是幾種常用的稱重傳感
        器的工作原理、特性及優劣比較。 
        一、電阻應變式稱重傳感器 
        以金屬材料為轉換組件的電阻應變計,其轉換原理是基於金屬電阻絲的電阻——應變效應。所謂
        應變效應是指金屬導體(電阻絲)的電阻值隨變形(伸長或縮短)而發生改變的一種物理現象(圖 1)。 
        金屬導體的電阻值可用下式表示:R=ρ△L/△S 
        式中:ρ——金屬導體的電阻率(Ω·cm2
        /m) 
        S——導體的截麵積(cm2) 
        L——導體的長度(m) 
        電阻應變片式稱重傳感器是基於這樣一個原理: 
         
        圖 1 
        楊青鋒  
        彈性體(彈性組件)在外力作用下產生彈性變形,使粘貼在其表麵的電阻應變片(圖 2)也隨同產
        生變形,電阻應變片變形後,它的阻值將發生變化(增大或減小),再經過惠斯通電橋(圖 3)把這
        一電阻變化轉換為電信號(電壓或電流),從而完成了將外力變換為電信號的過程。 
         
        圖 2 圖 3 
        電阻應變式稱重傳感器的稱量範圍為幾十克至數千噸,計量準確度達 1/1000~1/10000,以其
        結構簡單,安裝方便,工作可靠,為大部分電子衡器所使用。電阻應變式傳感器的優點是準確度高,
        測量範圍廣,壽命長,結構簡單,頻響特性好,能在惡劣條件下工作,易於實現小型化、整體化和
        品種多樣化等。它的缺點是存在機械滯後、蠕變和零漂、應變極限,對於大應變有較大的非線性、
        輸出信號較弱,但是可通過一定措施改進。電阻應變式稱重傳感器是稱重傳感器中應用的zui廣泛的
        一種,對其特性研究也是zui多的。 
        二、電磁力平衡稱重傳感器 
        電磁力平衡傳感器的稱重過程基於安培力實現。通電導線在磁場中受到的作用力如圖 4 所示。
        在導線上加上秤盤,秤盤及導線本身具備的重力方向朝下,而通電導線受到向上的電磁力,當通過
        導線的電流值達到某一值時,這兩個力互相平衡,此時傳感器就處於平衡狀態即可確定被測物重量。
        電磁力平衡傳感器依靠載流線圈在恒定直流磁場中產生的電磁力與被測質量的重力平衡,實現被測
        質量的電信號轉換。 
         
        圖 4  
        電磁力平衡稱重傳感器是一種高精度傳感器,精度可達 1/2000~1/60000,但稱量範圍僅在幾
        十毫克至十千克之間,廣泛用於電子深夜成人福利APP,是精密質量稱量的常用傳感器。由於測量分辨率高、
        靈敏可靠、價格適宜,在精密質量稱量、化學反應監測、加速度測量、水分檢測等領域獲得了越來越
        多的應用。為減小傳感器的體積,簡化傳感器的製造工藝,降低製造成本,電磁力平衡傳感器的恒
        定直流磁場采用*磁鐵。*磁鐵作為電磁力平衡傳感器的永磁體,其磁性能的穩定性直接影響
        電磁力平衡傳感器的精度。 
        電磁力平衡式傳感器是一項相對成熟的技術,對傳感器的生產條件要求較高。目前,世界
        上隻有為數不多的幾家大廠掌握這種技術。這種高精度的電子稱重裝置由於其*的工作原理和工
        藝水平,精度非常高,主要用於市場。例如用高強度航空鋁合金材料通過高精度電火花切割加
        工而成的單模塊傳感器,瑞士梅特勒-托利多集團和德國賽托利斯都有該項技術,它將傳統的
        電磁力平衡式傳感器中的杠杆、上下導杆、底座以及簧片等多個零部件融為一體。由於內部無連接
        螺絲,從而大大提高其可靠性,同時的機械傳輸性能和扭力保護,提高了其使用壽命。 
        三、電容式稱重傳感器 
        電容式稱重傳感器是一種把被測的機械量,如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器。它的
        敏感部分就是具有可變參數的電容器,其zui常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質
        的電容器(圖 5)。它利用電容器振蕩電路的振蕩頻率 f 與極板間距 δ 的正比例關係工作。若忽略邊
        緣效應,平板電容器的電容為 
        C=εA/δ 
         
         
        圖 5 
        式中 ε 為極間介質的介電常數,A 為兩電極互相覆蓋的有效麵積,δ 為兩電極之間的距離。δ、
        A、ε 三個參數中任一個的變化都將引起電容量變化,並可用於測量。因此電容式傳感器可分為極
        距變化型、麵積變化型、介質變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由於力、壓力、
        振動等引起的極距變化。 
        電容式稱重傳感器的優點是結構簡單,價格便宜,靈敏度高,過載能力強,耗電量少,造價低, 
        準確度一般為 1/200~1/500,動態響應特性好、對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等。缺
        點是輸出有非線性,寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大等。由於電阻應變式稱重
        傳感器無法做成超高溫或在超高溫環境故障率非常高,所以在許多超高溫環境對稱量精度要求不高
        或隻為起到安全過載保護的作用時通常使用電容式稱重傳感器具有一定優勢,譬如煉鋼廠所使用的
        部分高溫吊鉤秤。此類傳感器目前應用非常。 
        四、光電式稱重傳感器 
        光電式傳感器包括光柵式和碼盤式兩種。 
        光柵式傳感器的工作原理是將光柵形成的莫爾條紋角位移轉換成光電信號。光柵有兩塊,一個
        光柵裝在表盤軸上可移動,另一塊光柵固定。加載後,傳力杠杆帶動使表盤軸旋轉從而帶動移動光
        柵轉動,莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉換電路和顯示儀表,計算移過的莫爾條紋數量,測
        出光柵轉動角的大小,從而確定和讀出被測物質量。 
        碼盤式傳感器的碼盤(符號板)是一塊裝在表盤軸上的透明玻璃,上麵帶有按一定編碼方法編
        定的黑白相間的代碼。加載後,通過杠杆使表盤軸旋轉,碼盤也轉過一定角度。光電池透過碼盤接
        受光信號並轉換成電信號,由電路進行處理並得到測量結果。 
        光電式傳感器曾主要用在機電結合秤上,具有穩定工作、抗幹擾能力強的優點,可用於煤礦等
        惡劣的工業環境,但是運行速度低,不能滿足高速稱重的要求。近年來由於電阻應變式稱重傳感器
        的技術日趨成熟,此類傳感器已基本沒有在應用,作為曾經的一個過渡產品已經完成其使命,幾乎
        退出市場。 
        五、液壓式稱重傳感器 
        液壓式稱重傳感器是指承受被測物重力時,液壓油壓力增大,增大的程度與物體重力成正比,
        測出壓力的增大值,就可得到被測物的質量。液壓式傳感器結構簡單而牢固,測量範圍大,但準確
        度一般不到 1/1000,有時甚至連 1/100 也不到。目前主要應用在對稱量要求精度不高或安全過載保
        護方麵的稱重測力場合,譬如裝載機秤。 
        六、磁極變形式稱重傳感器 
        磁極變形式稱重傳感器鐵磁組件在被測物重力作用下發生機械變形時,內部產生應力並引起導
        磁率變化,使繞在鐵磁組件(磁極)兩側的次級線圈的感應電壓也隨之變化。測量出電壓的變化量
        即可求出加到磁極上的力,進而確定被測物的質量。磁極變形式傳感器的準確度不高,一般為 1/100,
        適用於大噸位稱量工作。幾乎在整個稱重傳感器市場沒有實際的應用。 
        七、振動式稱重傳感器 
        彈性組件受力後,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
        被測物作用在彈性組件上的力,進而求出其質量。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組件是弦絲。當承重台上加有被測物時,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
        可求出被測物的質量。振弦式傳感器的準確度較高,可達 1/1000~1/10000,稱量範圍為 100 克至 
        幾百千克,但結構複雜,加工難度大,造價高。 
        音叉式傳感器的彈性組件是音叉。音叉端部固定有壓電組件,它以音叉的固有頻率振蕩,並可
        測出振蕩頻率。當承重台上加有被測物時,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,即可求出重物施加於音叉上的力,進而求出重物質量。
        音叉式傳感器耗電量小,計量準確度高達 1/10000~1/200000,稱量範圍為 500g~10kg。 
        八、陀螺儀式稱重傳感器 
        從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時,可以把它看成是一個剛體,剛體上有一個方向支點,
        而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動,所以陀螺的運動是屬於剛體繞一個定點的轉動運
        動。更確切地說,一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上,使陀螺的
        自轉軸有角轉動的自由度,這種裝置的總體叫做陀螺儀。 
        陀螺儀的基本部件有: 
        (1)陀螺轉子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉
        軸高速旋轉,其轉速近似為常值); 
        (2)內、外框架(或稱內、外環,它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構); 
        (3)附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。 
        如圖所示,轉子裝在內框架中,以角速度 ω 繞 X 軸穩定旋轉。內框架經軸承與外框架聯接,
        並可繞水平軸 Y 傾斜轉動。外框架經萬向聯軸節與機座聯接,並可繞垂直軸 Z 旋轉。轉子軸(X
        軸)在未受外力作用時保持水平狀態。轉子軸的一端在受到外力(P/2)作用時,產生傾斜而繞垂
        直軸 Z 轉動(進動)。進動角速度 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,進而求出產生此外力的被測物的質量。 
         
         
        圖 6 
        陀螺儀式傳感器響應速度快(5 秒),無滯後現象,溫度特性好(3ppm),振動影響小,頻率測
        量準確高,故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計量準確度(1/30000~1/60000)。 
        九、光纖光柵式稱重傳感器  
        光纖光柵傳感器(Fiber Grating Sensor)屬於光纖傳感器的一種,基於光纖光柵的傳感過程是
        通過外界物理參量對光纖布拉格(Bragg)波長的調製來獲取傳感信息,是一種波長調製型光纖傳
        感器,光纖光柵傳感器可以實現對溫度、應變等物理量的直接測量。由於光纖光柵波長對溫度與應
        變同時敏感,即溫度與應變同時引起光纖光柵耦合波長移動,使得通過測量光纖光柵耦合波長移動
        無法對溫度與應變加以區分。因此,解決交叉敏感問題,實現溫度和應力的區分測量是傳感器實用
        化的前提。通過一定的技術來測定應力和溫度變化來實現對溫度和應力區分測量。這些技術的基本
        原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度與應變傳
        感器,通過確定 2 個光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度係數,利用 2 個二元一次方程解出溫度與應
        變。 
        實驗中所使用的光纖光柵均為 Bragg 光纖光柵,其折射率調製周期是均勻的,故滿足 Bragg 條
        件,即
        B
        λ
        =2
        eff n ?Λ。式中:
        B
        λ
        為 Bragg 波長;
        eff n
        為光柵有效折射率(折射率調製幅度大小的平
        均效應);Λ 為光柵周期(折射率調製的空間周期)。 
        當作用於光纖光柵的被測物理量(如溫度,應力等)發生變化時,將引起
        eff n
        和 Λ 的相應改變,
        從而導致
        B
        λ
        的漂移。反過來,通過檢測
        B
        λ
        的漂移,即可得知被測物理量的信息。光纖 Bragg 光柵傳
        感器的研究工作主要集中在溫度和應力的準分布式測量上。溫度和應力的變化所引起的
        B
        λ
        的漂移
        可表示為 
        ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? P P P T B KT T K?
        T
        B ? ? ?
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        n
        d
        d
        -
        2
        n
        2n 1-
        n
        12 11 12
        2
         
        式中
        ?
        為應力,
        Pij
        為光壓係數;υ 為橫向變型係數(泊鬆比),?
        為熱漲係數,ΔT 為溫度的變
        化量;由上式可知,在排除或者忽略溫度變化影響的時候,光纖光柵 Bragg 波長的變化僅與應力的
        變化相關,且是成正比的,根據這一原理即可利用光纖光柵來測量力的變化。 
        光纖光柵式稱重傳感器具有以下優點: 
        (1)抗電磁幹擾能力強,一般電磁輻射的頻率比光波低許多,所以在光纖中傳輸的光信號不
        受電磁幹擾的影響。 
        (2)電絕緣性能好,安全可靠,光纖本身是由電介質構成的,而且無需電源驅動,因此適宜
        於在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。 
        (3)耐腐蝕,化學性能穩定,由於製作光纖的材料一石英具有*的化學穩定性,因此光纖
        傳感器適宜於在較惡劣環境中使用。 
        (4)體積小、重量輕,幾何形狀可塑。 
        (5)傳輸損耗小,可實現遠距離遙控監測。 
        (6)傳輸容量大,可實現多點分布式測量。 
        (7)測量範圍廣,可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位等。  
        就目前而言,光纖光柵式稱重傳感器大多還處於研究和實驗階段,國內外在這方麵都有報道,
        德國 HBM 公司已經擁有基於光纖光柵的光學應變計,且成功應用在 DB Minden 公司鐵路車輛測試
        中。 
         

         

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