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一、前言
電子秤是日常生活中常用的電子衡器，廣泛應(yīng)用于超市、大中型商場(chǎng)、物流配送中心。電子秤在結(jié)構(gòu)和原理上取代了以杠桿平衡為原理的傳統(tǒng)機(jī)械式稱(chēng)量工具。相比傳統(tǒng)的機(jī)械式稱(chēng)量工具，電子秤具有稱(chēng)量精度高、裝機(jī)體積小、應(yīng)用范圍廣、易于操作使用等優(yōu)點(diǎn)，在外形布局、工作原理、結(jié)構(gòu)和材料上都是全新的計(jì)量衡器。電子秤的設(shè)計(jì)首先是通過(guò)壓力傳感器采集到被測(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)通常很小，需要通過(guò)前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線(xiàn)性放大。放大后的模擬電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量被送入到主控電路的單片機(jī)中，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯示出被測(cè)物體的重量。
目前市場(chǎng)上使用的稱(chēng)量工具，或者是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或者運(yùn)行不可靠，且成本高，精度穩(wěn)定性不好，調(diào)正時(shí)間長(zhǎng)，易損件多，維修困難，裝機(jī)容量大，能源消耗大，生產(chǎn)成本高。而且目前市場(chǎng)上電子秤產(chǎn)品的整體水平不高，部分小型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量差且技術(shù)力量薄弱，設(shè)備不全，缺乏產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力，產(chǎn)品質(zhì)量在低水平徘徊。因此，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)出一套有實(shí)用價(jià)值的電子秤系統(tǒng)，從技術(shù)上克服上述諸多缺點(diǎn)，改善電子秤系統(tǒng)在應(yīng)用中的不足之處，具有現(xiàn)實(shí)意義。
二、稱(chēng)重傳感器的定義與組成
1）定義 ： 它是一種力傳感器，通過(guò)把被測(cè)量（質(zhì)量）轉(zhuǎn)化為另外一種被測(cè)量（電量）來(lái)測(cè)量質(zhì)量的力傳感器。稱(chēng)重傳感器是電子衡器的重要組成部分，在使用稱(chēng)重傳感器時(shí)，應(yīng)考慮使用地點(diǎn)的重力加速度和浮力的影響。電子衡器應(yīng)用稱(chēng)重傳感器把被測(cè)物體的重量轉(zhuǎn)化成電量，然后通過(guò)響應(yīng)的檢測(cè)儀表顯示物體的質(zhì)量。由此可見(jiàn)，稱(chēng)重傳感器的性能好壞對(duì)電子衡器的性能是至關(guān)重要的。
2）組成：稱(chēng)重傳感器一般由敏感元件、變換元件、測(cè)量元件等幾部分組成，有時(shí)加輔助電源。
敏感元件：直接感受被測(cè)量（質(zhì)量）并輸出與被測(cè)量功能有確定關(guān)系的其他量的元件。如電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的彈性體，是將被測(cè)物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫?；電容式稱(chēng)量傳感器的彈性體將被測(cè)的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰啤?br /> 變換元件：又稱(chēng)傳感元件，是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跍y(cè)量的信號(hào)。如電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的電阻應(yīng)變計(jì)（或稱(chēng)電阻應(yīng)變片），將彈性體的形變轉(zhuǎn)換為電阻量的變化；電容式稱(chēng)重傳感器的電容器，將彈性體的唯一轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓Ｓ袝r(shí)某些元件兼有敏感元件和變化元件兩者的功能。如壓電式稱(chēng)重傳感器的壓電材料，在外載荷的作用下，在發(fā)生形變的同時(shí)輸出電量。
測(cè)量元件（測(cè)量電路）：將變換元件的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為進(jìn)一步傳輸、處理、顯示、記錄或控制提供方便。如電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器中的電橋電路，壓電稱(chēng)重傳感器的電荷前置放大器。
輔助電源：為傳感器的電信號(hào)輸出提供能量。一般稱(chēng)重傳感器均需要外接電源才能工作。因此，作為一個(gè)產(chǎn)品必須標(biāo)明供電的要求，但不作為稱(chēng)重傳感器的組成部分。有些傳感器，如磁電式速度傳感器，由于它輸出的能量較大，故不需要輔助電源也能正常工作。所以并非所有傳感器都需要有輔助電源。
三、 稱(chēng)重傳感器的種類(lèi)
稱(chēng)重傳感器的種類(lèi)較多，但根據(jù)變化工作原理來(lái)分，主要有電阻應(yīng)變式、電容式、差動(dòng)變動(dòng)器式、壓磁式、壓電式、振頻式、陀螺式等。下面對(duì)幾種常用稱(chēng)重傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述：
1）電阻應(yīng)變式與差動(dòng)變壓器式傳感器
是將電阻應(yīng)變計(jì)（電阻應(yīng)變片）粘貼在彈性體上，當(dāng)彈性體受外力（拉力或壓力）作用產(chǎn)生形變時(shí)，電阻應(yīng)變計(jì)將該形變轉(zhuǎn)化成電量輸出，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表檢測(cè)出這個(gè)與外加重量成一定比例關(guān)系的電量，從而測(cè)出質(zhì)量。
2）電容式與差動(dòng)變壓器式傳感器
是通過(guò)彈性體將物體質(zhì)量轉(zhuǎn)換成位移，從而引起電容和電感的改變，利用相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表檢測(cè)出這個(gè)變化的電容量再換算成質(zhì)量。
3）壓磁式傳感器
是利用鐵磁物質(zhì)在外加質(zhì)量作用下，鐵磁材料的磁導(dǎo)系數(shù)和磁阻的改變，從而使繞在鐵心上的線(xiàn)圈阻抗變化，線(xiàn)圈阻抗的變化與質(zhì)量成一定比例關(guān)系，因此檢出線(xiàn)圈阻抗的變化，便可求得質(zhì)量。
4）壓電式傳感器
是利用某些晶體介質(zhì)在受一定方向外加質(zhì)量作用是，引起內(nèi)部正負(fù)電荷的相對(duì)轉(zhuǎn)移，從而使晶體兩端表面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與質(zhì)量成正比關(guān)系。
5）振頻式傳感器
金屬絲或金屬膜片的固有震動(dòng)頻率的不緊與其幾何尺寸、密度、材料有關(guān)，而且還與內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)它們的幾何尺寸、材料、密度一定時(shí)，外加的質(zhì)量可以改變它們的內(nèi)部應(yīng)力，因而其振動(dòng)頻率也就相應(yīng)改變，利用振頻測(cè)量?jī)x器測(cè)出頻率的變化量，即可求得質(zhì)量。
6）陀螺式傳感器
是利用陀螺式進(jìn)動(dòng)特征和力矩效應(yīng)工作的，是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的稱(chēng)重傳感器，其特點(diǎn)是作用力方向上無(wú)位移，不存在靜平衡問(wèn)題以及彈性應(yīng)變中的儲(chǔ)能和恢復(fù)問(wèn)題，因而無(wú)滯后，剛性大，線(xiàn)性好，響應(yīng)快，分辨率高，穩(wěn)定性好，抗干擾能里強(qiáng)。由于是直接數(shù)字輸出，沒(méi)有數(shù)模轉(zhuǎn)換問(wèn)題，因而陀螺式稱(chēng)重傳感器引人注目。在上述稱(chēng)重傳感器中，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的稱(chēng)重傳感器是電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器，因?yàn)檫@種傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)比較成熟，制作容易，準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好。
四、稱(chēng)重傳感器的選型
根據(jù)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)需要我們選擇電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器。
工作原理和組成：是基于金屬絲在受拉或受壓后產(chǎn)生彈性形變，其電阻值也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化這一物理特征實(shí)現(xiàn)的。
電阻應(yīng)變片的主要技術(shù)特征
1）靈敏度
金屬絲的靈敏系數(shù)（K0）是表示金屬絲受力后，電阻的相對(duì)變化與軸向長(zhǎng)度的變化之間的關(guān)系。當(dāng)金屬絲制成應(yīng)變片之后，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K就是一個(gè)新的量值了，而且K恒小于K0。這是由于除了膠基對(duì)力傳遞變形失真外，主要還存在有橫向效應(yīng)，而且K還是溫度的函數(shù)，所以對(duì)K的主要要求是穩(wěn)定性。
2 )向效應(yīng)
粘貼在試件上的應(yīng)變片，起敏感柵由許多條直線(xiàn)及圓角部分組成。當(dāng)受到縱向應(yīng)力之后，直線(xiàn)段的電阻將增加，圓角部分的電阻將減小，其綜合效應(yīng)是使應(yīng)變片的靈敏度下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。在工程上采用箔式應(yīng)變片可以減少橫向效應(yīng)。
3）線(xiàn)性度
試件上的應(yīng)變敏感元件，其電阻的相對(duì)變化ΔR/R理論上呈線(xiàn)性關(guān)系。實(shí)際上，當(dāng)施加到試件上的力超過(guò)一定范圍時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系
4）機(jī)械滯后和熱滯后
當(dāng)對(duì)貼有應(yīng)變片的試件循環(huán)加載和卸載時(shí)，應(yīng)變片ΔR/R與ΔL/L之間的特性曲線(xiàn)的不重合程度稱(chēng)為機(jī)械滯后。把加載和卸載特征曲線(xiàn)的最大差異值稱(chēng)為應(yīng)變片的機(jī)械滯后值。它的物理意義是，保持外界條件不變，對(duì)試件循環(huán)加載、卸載過(guò)程中，對(duì)同一個(gè)載荷，應(yīng)變片輸出的差值即為機(jī)械滯后值。
5）零漂和蠕變
在恒溫條件下，貼有應(yīng)變片的試件不承受載荷，應(yīng)變片的阻值隨時(shí)間變化的情況稱(chēng)為應(yīng)變片的零漂。在恒溫條件下，加到貼有應(yīng)變片的試件上的載荷力恒定，應(yīng)變片的應(yīng)變輸出隨時(shí)間變化的情況稱(chēng)為應(yīng)變片的蠕變。
6）應(yīng)變極限
粘貼在試件上的應(yīng)變片所能測(cè)試的最大載荷力稱(chēng)為應(yīng)變極限。在恒溫條件下，緩慢均勻地施加載荷力，當(dāng)應(yīng)變片的輸出大于機(jī)械應(yīng)變的10%時(shí)，就認(rèn)為應(yīng)變片已接近破壞狀態(tài)，此是的應(yīng)變值就稱(chēng)為應(yīng)變極限。
7）電阻應(yīng)變片的疲勞壽命
應(yīng)變片粘貼到試件上之后，在應(yīng)變極限之內(nèi)往復(fù)循環(huán)地施加載荷，應(yīng)變片所能承受某一特定載荷作用的循環(huán)次數(shù)為應(yīng)變片本身的尺寸等條件有關(guān)。使用中不允許電流的數(shù)值并注意相關(guān)的條件。
8）電阻應(yīng)變片的容許電流
應(yīng)變片接成橋路之后，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生熱量，可以使電阻應(yīng)變片的溫度升高。當(dāng)電流超過(guò)允許電流值時(shí)，可能造成應(yīng)變片燒斷。顯然，允許電流與試件的尺寸，材料的導(dǎo)熱系數(shù)及應(yīng)變片本身的尺寸等條件有關(guān)。使用中不允許超過(guò)允許電流的數(shù)值并注意相關(guān)條件。
9）電阻應(yīng)變片的絕緣電阻
應(yīng)變片的引線(xiàn)與試件之間的電阻值稱(chēng)為絕緣電阻。他的數(shù)量級(jí)為兆歐級(jí)。
10）電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性
進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式字材料中傳播（傳播速度與聲波相同），當(dāng)應(yīng)變波字應(yīng)變片的敏感柵的軸向傳播時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生延遲。當(dāng)測(cè)量以正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)，應(yīng)變片反映的應(yīng)變波形是線(xiàn)柵長(zhǎng)度內(nèi)所感受變量的平均值，故所反映的波幅將低于實(shí)際應(yīng)變數(shù)，而造成誤差。
五、結(jié)束語(yǔ)
衡器是所有計(jì)量器具中應(yīng)用范圍最廣泛、品種數(shù)量最多的計(jì)量器具，它不僅僅與人們的生活密切相關(guān)，它已廣泛滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)、各個(gè)行業(yè)中，對(duì)維護(hù)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)秩序和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展起到了十分重要的作用。

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