称重传感器工作原理及输出选项

什么是称重传感器？

称重传感器-有时称为“力”，“称重”或“重量”单元-是一种传感器，可将作用于其上的负载转换为可测量（模拟或数字）输出。输出与施加的力或负载成比例。下面我们将介绍如何使用称重传感器和不同类型的称重传感器进行力测量。

通过应变仪的物理变形实现转换，应变仪结合到称重传感器结构上。应变仪连接到惠斯通电桥电路，带有四个应变仪（全桥），两个仪表（半桥）或一个仪表（四分之一桥）。使用半桥和四分之一桥，桥使用精密监视器完成。

在桥式电路中配置额外的可键合电阻，以补偿温度对零或空载信号的影响以及灵敏度（由于施加的负载引起的输出，再加上另一个电阻，使桥在空载时无效）。

完成的惠斯通电桥需要稳定的直流电源来激励电路。这通常是5Vdc或10Vdc，但可以是1Vdc至18Vdc的任何值。

当应力施加在粘合应变仪上时，会发生电阻变化，使惠斯通电桥不平衡。这提供了与应力值成线性比例的输出信号。该信号的值也与激励电压成比例，通常为几毫伏。

称重传感器输出选项

这些低电平毫伏信号与各种定制的应变计仪器兼容。这些仪器包括数字显示器，模拟和数字放大器。典型的模拟放大器将产生更高电平的电压（0-5Vdc，0-10Vdc）或电流（0-20mA，4-20mA），用于后续处理。

数字放大器通常使用通用ASCII协议或已开发的一系列更专业的行业特定协议（如Modbus）提供RS232，RS422或RS485输出。模拟和数字仪器的尺寸都已经缩小（小型化），足以使物品能够安装在称重传感器或力传感器的主体内。

称重传感器设计或者通过它们产生的输出信号的类型（气动，液压或电气）或通过它们检测负载或重量（弯曲，剪切，压缩，张力等）的方法来区分。

为满足研发和工业应用中的各种用途，称重传感器可采用多种形式。然而，今天的大多数设计都使用应变计作为传感元件，其中使用箔或半导体。

箔规提供最广泛的称重传感器设计选择，因此往往是最常用的。应变计图案提供拉伸，压缩和剪切力的测量。

半导体应变计具有较小的模式范围，但具有更小的优点，并提供大规格因数，从而在相同的给定应力下产生更大的输出。由于这些特性，它们倾向于用于微型称重传感器设计。证明环用于负载测量，使用校准的金属环，其运动用精密位移传感器测量。

称重传感器工作原理

应变式称重传感器将作用于它们的负载转换为电信号。测量仪本身粘合到梁上或结构构件上，当施加力时该梁或结构构件变形。在大多数情况下，使用四个应变计来获得最大灵敏度和温度补偿。两个仪表通常处于拉伸状态，两个处于压缩状态，并通过补偿调整进行接线。当施加载荷时，应变会使载荷的电阻与载荷成比例地改变。随着应变仪版本继续提高其精度，同时降低单位成本，其他称重传感器正变得越来越不受欢迎。

早期的称重传感器设计简单地使用应变仪来测量直接应力，该直接应力在受到拉伸或压缩力时被引入金属元件中。弯曲梁型设计使用应变仪来监测受到弯曲力时传感元件中的应力。最近，剪切应力的测量已被采用作为更有效的载荷确定方法，因为该方法较少依赖于力施加到载荷传感器的方向。

传力传感器DBSL-10T：传感器放大器的工作原理

传感器作为一个被动元件，将力学形变转化为电子信号，未得到能够测量的信号，就需要后续电路的处理。测量放大器作为测量链中的第二个成员，有两个主要任务，首先产生稳定的供电电压，其次将传感器毫伏级的输出信号，尽可能不失真地方大为伏特级信号。通常紧跟测量放大器的是模数转换器，在最简单情况下，它仅作为数码显示，但更普遍的是连接的是连接到称重微处理器处理和控制。数字化的测量值能进入相应的微机(PC)，可编程序控制器（PLC）或控制仪，这些电路可输出标准的模拟信号（0...10V，4...20mA）.放大过程中产生的误差，取决于具体的测量放大器的性能。放大器首要的性能是信号的动态传递特性，温度对放大器的零点漂移和放大系数的变化，以及放大器对外部干扰的敏感度。

对阻抗性传感器，其最通常的例子是应变式传感器，既可以采用交流放大也可采用直流放大，二种方法都有其优缺点，应视任务之不同而确定其是否有利。

① 直流放大器

图9-5显示与应变式传感器相连的直流放大器的基本工作原理。

因传感器是被动元件，只有施加激励电压才能得出测量信号。所谓的供电电压，例如5V，由高稳定的电源发生器产生。发生器产生的激励电压供应传感器的整个桥路。在没有加载的情况下，传感器输出极小的电压，它在测量放大器中得以补偿（零信号补偿），负荷施加于传感器上时使电桥电路提供正比于负荷量的输出电压，其极性随受力方向的变化而变化，既当对一个传感器由压力变为拉力时发生变化。传感器的输出信号被引入到测量放大器的输入级。

②交流放大器

与直流方法器的工作方法比较，交流放大器的工作方法因其信号形式的多样变换而初看非常繁琐，但另一方面交流放大器具有一系列的优点。

图9-6为连接传感器的交流放大器的电路模块图，交流电压产生供电电压（例如5VAC）,这一电压的振幅和频率是高度稳定的，这个交流电压供应传感器桥路，在同一情况下如直流放大器中所描述，传感器在负荷作用下输出一个与负荷量成正比的幅值为10mV的交流信号，这个交流信号连接到后续放大器的输入级及其后级电路，并被放大到伏特级。这儿交流信号在相对狭窄的频带中被放大，具有一系列技术优点。

传感器毫伏级的信号被多级放大到伏特级，放大器频率范围设计成仅有测量信号在其频带宽度内方能通过。这一频带外的其他干扰信号，包括零点漂移，将全部被抑制。

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