稱重傳感器的工作原理

質量是七個基本物理量之一。在實際應用中，質量通常以物體重量的形式體現。重量是由于物體的質量而作用在物體上的重力。

如何測量物體的重量？它是通過感應它在重力影響下施加的壓力來完成的。通過感測施加的壓力來測量重量的裝置稱為稱重傳感器。應變片稱重傳感器非常普遍，直接與微控制器和微型計算機連接。在本文中，我們將討論不同類型的稱重傳感器和儀表稱重傳感器。

稱重傳感器傳感器將壓力或機械力轉換為可測量的電信號。稱重傳感器有多種變體，其尺寸、形狀和工作原理各不相同。稱重傳感器通常用于家庭和工業應用。稱重傳感器在國內的一些應用包括個人稱重機、廚房秤、浴室秤、托盤秤和行李稱重機。稱重傳感器的一些工業應用包括巖土工程設備、醫療設備、皮帶秤、料斗秤、軌道秤和車載稱重機。

稱重傳感器的尺寸、形狀、應用和工作原理有很大差異。對稱重傳感器進行分類的最簡單方法是按工作原理分類。基于此，幾乎所有稱重傳感器都屬于以下三個類別之一。

1. 液壓稱重傳感器

2. 氣動稱重傳感器

3. 應變計稱重傳感器

液壓稱重傳感器通過感測施加到流體上的推力來測量機械力。它們具有典型的活塞和氣缸設置，其中流體儲存在兩個活塞之間。其中一個活塞是固定不動的。另一個活塞可在壓力或推力的作用下移動。活塞的運動會導致布爾登管內的壓力發生變化，壓力表會檢測到這一變化。這些類型的稱重傳感器通常是模擬的。

氣動稱重傳感器通過感測空氣或氣體壓力來測量機械力。它具有類似的圓柱形設置，其中氣缸充滿空氣或氣體，并且可移動的活塞放置在稱重傳感器的頂部。當壓力施加在活塞上時，氣缸內的氣壓發生變化，導致空氣從氣缸底部的噴嘴中逸出。逸出的空氣/氣體施加的壓力由稱重傳感器內的壓力表測量。

     

應變計稱重傳感器通過感測稱重傳感器內的一個或多個應變計的變形來測量機械力。應變式稱重傳感器是最常見的稱重傳感器類型。它們有多種形狀和配置。例如，棒型稱重傳感器有四個應變片；兩個放置在酒吧的兩端。稱重傳感器以 Z 形排列在稱重秤上的兩個平臺之間。當一些重物放在桿（頂部平臺）上時，稱重傳感器會由于施加的力而彎曲。桿中的兩個應變計測量張力，兩個測量壓縮以檢測由此產生的彎曲變形。桿式稱重傳感器也稱為彎曲梁式稱重傳感器。

四個稱重傳感器以惠斯通電橋形式排列，以在典型稱重機中實現最大靈敏度。

應變片稱重傳感器有多種形狀和設置。以下是一些常用類型（基于形狀）及其設置。

桿式稱重傳感器：這些也稱為彎曲梁稱重傳感器。稱重傳感器是一根直桿，桿的兩端都有孔。這些孔用于固定螺釘，以形成具有兩個平臺的 Z 形結構。一個平臺保持固定不動，而另一個平臺可以向下彎曲并在其上放置重量。上圖顯示了桿式稱重傳感器的示例。

桿式稱重傳感器可以有一個應變片或多個應變片。在單個應變片稱重傳感器中，只有一個應變片存在于桿的兩端之間。在施加機械力時，應變片會根據其設置承受拉力或壓力。張力或壓縮改變了應變片的電阻值，由放大器電路檢測到。單個應變片式稱重傳感器只有三根線，其中兩根線用于激勵（電源電壓和接地），第三根線用于模擬輸出。

帶有多個應變片的桿式稱重傳感器更為常見。這些稱重傳感器通常有四個以惠斯通結構連接的應變計。桿的兩端有兩個應變片。兩端的一對應變片在相等和相反的方向上測量張力和壓縮——四個應變片充當壓力相關的可變電阻器。當重物放置在稱重傳感器的加載點時，它會發生彎曲變形。對于滿量程負載能力，彎曲變形通常在 0.1mm 到 1mm 之間。

由于彎曲變形，應變片對在兩端受到拉伸和壓縮，如下圖所示。

應變片沿桿放置，它們可以在桿的彎曲變形上承受最大應變。在內部，應變計排列成惠斯通結構，如下圖所示。

張力下的應變片變得更薄和更長。結果，它的阻力增加了。受壓的應變片會變厚變短。結果，它的阻力降低了。在正常情況下，所有應變片的阻值相同，惠斯通電橋輸出端的電壓差為零。當重量放在傳感器上時，應變片 R1 和 R3 會受到拉力，導致電阻增加，而應變片 R2 和 R4 會受到壓縮，導致電阻降低。這會在惠斯通電橋的輸出端產生不同的電壓。輸出電壓在 mV 范圍內并傳遞到放大器電路。

惠斯通棒式稱重傳感器至少帶有四根電線。應變片的激勵有兩條線，即電源電壓和地線。另外兩條線測量惠斯通電橋的差分電壓。

桿式稱重傳感器可以是單點、單端剪切梁、雙端剪切梁或鋼絲繩稱重傳感器。

S 型稱重傳感器：這些稱重傳感器用于測量懸掛重量。稱重傳感器呈 S 形，兩端有孔，用于固定懸掛螺栓或桿端。當稱重傳感器懸掛重物時，兩端的應變計都會受到拉力。如果重物放在稱重傳感器上，兩端的應變計都會受到壓縮。拉桿式稱重傳感器也以相同的原理工作。

單應變計稱重傳感器：這些稱重傳感器由單個應變計組成。應變計會根據其設置承受拉力或壓力。在拉伸或壓縮下，其輸出電阻發生變化，由放大電路檢測到。這些稱重傳感器可用作稱重按鈕、平面稱重傳感器和負載銷。通常，四個這樣的稱重傳感器以相等的距離放置在平臺下方以測量重量。

罐式稱重傳感器：罐式稱重傳感器類似于圓盤式稱重傳感器。這些稱重傳感器用于大容量測量，如汽車衡、鐵路車輛稱重、料斗秤和農業秤。這些稱重傳感器設計用于僅測量壓力。

扭矩稱重傳感器：這些稱重傳感器用于測量扭矩力。扭矩是作用在物體上使其旋轉的力。下圖顯示了扭矩稱重傳感器的示例。

無論是單應變式稱重傳感器還是惠斯通稱重傳感器，稱重傳感器的輸出電壓都表示為激勵電壓。這是作為滿載容量的 mV/V 規范提供的。例如，稱重傳感器的輸出電壓在規格表中指定為 4mV/V。如果勵磁電壓為10V，滿載時，稱重傳感器的輸出電壓為40mV。下式給出了稱重傳感器的輸出電壓 –

V輸出= V激勵* Z mV/V

其中，Z 是 mV/V 規格。

重量測量是使用稱重傳感器完成的，稱重傳感器具有各種形狀、尺寸、用例和工作原理，適用于各種應用。這些稱重傳感器可以是單個應變計或惠斯通稱重傳感器。根據其形狀和設置，應變式稱重傳感器可以是彎曲梁稱重傳感器、按鈕/圓盤型、S 型、扭矩稱重傳感器或罐式稱重傳感器。甚至單個應變計稱重傳感器也經常用于惠斯通配置以獲得最大靈敏度。