悬于天际的“明灯”——军用浮空器再受关注

作者：兰顺正

首发自：《舰载武器》

在2021年11月初，以色列空军（IAF）通过推特发布了一条消息：其部署的一种新型预警浮空器达到了里程碑，这是一种无人系留飞艇，名为“高可用性浮空器系统 ”(HAAS)，被描述为世界上同类气球载雷达中最大的一种。而该则消息也使得军用浮空器成为了各方关注的焦点。

浮空器泛指比空气轻的各类飞行器，而高空气球和飞艇则是其中的代表。世界上第一只大型热气球是在1783年6月由法国的蒙哥尔费兄弟发明的，从此以后人类便开始利用气球进行探空活动，各种各样的气球相继问世，到了20世纪初，气球的飞行高度已达到2万多米。飞机的出现曾经让气球一度被冷落，但后来又逐渐回归。1947年9月，美国人用塑料薄膜制成了一个850立方米的气球，载着30千克重的宇宙探测仪器，首次成功进行了宇宙线探测飞行，之后气球作为运载工具被越来越广泛地用于各种科学实验。

飞艇则是气球技术与操纵技术和推进技术的有机结合，一战的爆发使飞艇技术完全成熟起来，在一战中各国对飞艇的军事应用也达到过高潮，但由于飞艇飞行速度慢，抗风能力差，再加上所填充的氢气易燃的缺点，其地位逐渐被飞机所代替，1937年5月6日“兴登堡”号飞艇失事后，飞艇逐渐被天空所遗忘了。

近几十年，一些关键技术如蒙皮材料技术、气球超压技术等有了很大突破，各型浮空器的性能大为提高，已能在高空停留数月乃至一年，其巨大的军用价值再次引起了各国的重视。

高悬天际，优点多多

以平流层飞艇为例，此类浮空器具有很多独特的优点：

1 效费比高

和军用飞机与卫星相比，平流层飞艇的生产成本相对低廉。高空长航时无人机的价格往往为上千万美元，预警机和卫星的价格甚至达到了数亿美元。相比之下，一个40米长的小型软式飞艇的价格约为200万美元。

2持续及定点工作时间长

与军用飞机相比，平流层飞艇的最大优势是可以滞留于空中。飞机在空中的飞行时间通常以小时来计算，而飞艇则是以天甚至月来计算，这使得它能够长时间持续工作；而且飞艇能够定点工作，与飞机或卫星的越空飞行相比，平流层飞艇能够在目标地域上空悬停，如果其上安装了各种传感器，就可以对目标进行持续、定点探测。

3相对安全

与其他航空器相比，平流层飞艇相对安全。其安全性主要体现在：一是由于平流层飞艇重量轻、结构疏松，可采用无金属骨架的软体结构，且需要的动力很小，因此飞艇的外部信号特征，尤其是雷达截面积和红外辐射强度都很容易采取措施以降低，一定程度上达到了隐身的效果。二是飞艇的囊体内外压差小，即便是受到炮火攻击，内部填充的氦气泄漏速度也比较慢，通常可以有充裕的时间返回基地或着陆，不会立刻导致灾难性后果。三是目前的技术使得平流层飞艇能够处于20千米以上，这样的高度已超过了现在世界上绝大多数作战飞机的攻击高度和地空导弹的射高，所以部署平流层飞艇相对安全。

4侦察视野宽

在20千米以上高度飞行的平流层飞艇，视野比较广阔，其雷达对地面侦察覆盖面积可达1200平方千米。平流层飞艇的飞行速度比飞机慢，而且能在目标地域上空悬停，在飞艇上安装的雷达之类的传感器能更容易探测到小型目标。同时相较于卫星，平流层飞艇的飞行高度低，从而能以更高的分辨率进行拍照摄像。所以平流层飞艇可部分承担卫星的功能，是未来太空卫星的有效替代和补充，又被称为伪卫星。

5载荷限制少

平流层的空气活动不剧烈，飞艇能安静平稳地完成升降和飞行，这对其携带高科技监视设备至关重要。平流层飞艇可以设计得很大，一般长度均在150米以上，可以在气囊中携带大型雷达天线，而此雷达天线的形状和尺寸几乎不受限制。平流层飞艇的大载荷能力，使其还能容纳巨型高分辨率光学望远镜和一系列其他遥感设备，以及目标追踪器、通信设备、电子战设备等。

6战场适应能力强

平流层飞艇不需要固定的机场和跑道，具备垂直起降功能，只需要简单的开阔地即可，适于部署在地形复杂的山岭和海岛地区。

7无线通信及时准确

平流层通信平台是介于地面通信和卫星通信之间的空中通信平台。平流层通信比地面无线电通信覆盖面积大，电波不会受到地面建筑物的干扰；与卫星通信相比，飞艇距离地面近，电波的往返距离短，能量损失小，传播时间大大缩短；平流层通信对地面终端所需功率要求小，有利于终端设备实现便携、手持和小型化。

你追我赶，大国竞逐

鉴于浮空器的诸多优点及军用价值，目前很多国家均展开了此类装备的研制。

20 世纪 90 年代后，美军开始研发哨兵系列预警飞艇。1996 年美陆、海军开始实施搭载预警探测装置的浮空器进行巡航导弹先进概念技术验证(ACTD)试验，并于1998年4月正式启动搭载搜索、跟踪雷达对巡航导弹进行预警、探测、跟踪的“联合对地攻击巡航导弹防御用网络传感器系统”(JLENS) 计划，后续不断加强对其的升级、改造，2014 年完成人员培训和战斗部署。2003 年美空军开始实行作为导弹防御系统预警、探测、监控和信息处理平台的临近空间机动飞艇(NSMV) 计划。2005 年美军“高空哨兵”飞艇和“战斗天星”浮空气球试验成功，随后在“施里弗-3”太空演习中，美军首次使用临近空间飞行器作为预警、侦察和通信平台，并在伊拉克战争中进行了验证，由此拉开了世界军事强国临近空间领域角逐序幕。2006 年，美空军科技咨询委员会（AFSAB）发布《在临近空间高度持久存在》报告，随后2007年7月正式启动 F6 计划，在此推动下，美临近空间飞行器进入高速发展阶段，洛马、诺格等公司相继研发操作性、安全性、系统功能更趋完备的高性能临近空间预警飞艇，并在2010—2017年进行的6次“施里弗”系列太空演习中展现了突出的预警、侦察、通信等性能优势。

目前除“高空哨兵”项目外，美国知名的高空浮空器项目还包括洛马公司的“高空飞艇”（HAA）项目、传感器结构一体化飞艇（ISIS）项目、以及谷歌公司的“谷歌气球”项目等。HAA飞艇与ISIS飞艇的用途主要是为美军提供定点通信、情报、监视和侦察能力，可以布设多艘飞艇组网实现广域覆盖。其中HAA采用椭球旋转体外形，艇体内置氦气囊和空气囊，用于浮力与压力控制；艇体两侧各安装两台电动螺旋桨作为推进装置；艇体上表面铺敷薄膜太阳能电池阵列，用于提供电能；艇上搭载雷达、红外传感器和通信设备等有效载荷。2011年7月，HAA验证艇进行了首次飞行试验。ISIS同样采用椭球旋转体外形，艇体内置氦气囊和空气囊；艇体表面集成6000平方米的超大孔径有源相控阵雷达，用于跟踪空中与地面移动目标。2012年以后“谷歌气球”项目一度进展迅速，其气球的留空时间由数十小时发展到环绕地球飞行半年以上，但是在2021年初该项目被宣告关闭。另外美国雷神公司也成功研发了“塘鹅”巨型飞艇，该飞艇长约70米，自重约16吨，载重量约为66吨，能携带大型雷达在30千米的高空长时间工作。据称美军计划在东海岸部署这种飞艇，用于防御来袭导弹和其他飞行器，模拟显示，3艘“塘鹅”就可以监控北纬45°以北地区，30艘就可以初步监控全球。

在美军出兵阿富汗和伊拉克后，为了对固定地域进行长期监控，并为部队提供必要的保护，系留气球再度受到美国军方重视。目前美国是系留气球装备型谱最全、应用最多的国家，其主要系留气球装备供应商有洛马公司和TCOM公司，二者均研制了多种基于流线型球体设计的系留气球装备。

如洛马公司研制的56K型系留气球装备最早于2004年被美军应用于伊拉克战场，通过携带光学载荷，用于巴格达附近地面部队和重要据点的防御。后来56K系留气球装备被部署到舰艇上，由美国海岸警卫队用于边境监控任务，对其东南部海域长期监视。74K型系留气球装备被用于美军持续威胁探测系统(PTDS)，提供远程情报、监视、侦察和通信保障，在阿富汗和伊拉克战场上的执行任务时间超过了100万小时。420K系留气球装备是唯一在美国运行的大型系留气球，通过搭载L88广域监视雷达，建立了美墨边境地区的系留气球雷达系统(TARS)，用于监视低空的飞机、海上和水面目标。

TCOM公司产品涵盖了战术、战役、战略三个级别，其12M和17M系列系留气球为战术级装备，针对快速部署、撤收、再部署的陆地战场监视应用，具有系统紧凑、操作便捷等特点，可搭载可见光、红外、通信中继类载荷为身处复杂地型或偏远地带的地面部队提供信息支持。而22M和28M系列气球为战役级装备，主要针对海上监视应用、重要区域和边防的监视应用，可通过机动式或固定式锚泊平台进而部署，具备灵活的应用模式、较长的驻空时间和较强的载荷能力，是应用最广泛的系留气球装备之一。71M和74M则是战略级系留气球装备，采用固定式锚泊平台，主要用于对如轻型无人机和巡航导弹等低、小、慢飞行目标探测应用，具备强大的载荷能力和更高的工作高度，可搭载长程雷达、主动/被动通信设备为国土与战区防御提供长达30天的保障。

2021年9月美军“多域特遣队”在挪威进行了“雷云”演习，在演习中美军就使用了8套高空气球系统，充当“超低轨道卫星”。据报道，美军在演习中使用的高空气球携带一个带有太阳能电池的载荷飞到数万米的高度，能够对数百公里范围内的目标进行光电和电子侦察，也能够作为通信节点提供信息联通，其获取的情报信息可以直接成为“远程精确打击火力”的瞄准信息，并引导火力打击。

苏联于20世纪五六十年代就开始各种高空预警、侦察、气象浮空器的研制，并在阿富汗战争中运用了搭载通信设备的浮空气球进行战场通信保障。经历一段停滞后，1990年俄罗斯恢复了浮空器的研发，1992年、1996 年分别举办了第一届和第二届俄罗斯浮空器竞标赛。俄罗斯从事临近空间预警探测系统研发的主要有1965年成立的多尔戈普鲁德内自动化设计局、1991年成立的阿夫占尔浮空器中心和在莫斯科航空学院基础上组建的空气静力公司等机构。其中搭载远程预警雷达、情报侦察和信息处理设备的美洲狮、美洲豹临近空间飞行器于1992年前后相继研制成功并应用于俄战区防御体系。AU-30多用途飞艇于2006年研制完毕并投入应用，并在2008年俄罗斯北极科考队租用进行空中侦察拍摄。2010年底，俄罗斯研制的用于军事预警探测的新型飞碟式飞艇测试成功。当前，俄正致力于利用太阳能的搭载预警探测及通信设备的超长航时金雕(Berkut)系列平流层飞艇的研制，并完成了样艇飞行验证。

在气球方面，Augur-RosAerosystems是俄罗斯的主要供应商，其系留气球装备基于流线型球体设计。资料显示，Irbis和Lynx是小体积系留气球装备，充气放飞阶段需要4-6人，工作阶段仅需2人，主要用于60-70千米范围的大型活动安保服务和边境防卫。Gepard中型系留气球装备，地面保障人员需要约8人，通过搭载小型雷达系统，执行170-300千米范围的低空飞行目标、地面与海面目标探测识别任务。Tiger是大型系留气球系统，主要装备雷达、光电等载荷设备，用于半径230千米范围的防空预警、电子侦察、边境防卫等应用。Puma系列则是世界上最大的系留气球装备之一，可搭载大功率雷达承担380千米范围的监视、识别和跟踪等任务。

英国的飞艇技术在世界上也位于前列，英国2002年由ATG集团研制出可搭载2吨预警监视设备，滞空达5年之久的Stratstar飞艇，2004年开始天猫(SkyCat)飞艇系列重型飞艇的研发。在2016年8月17日，英国Hybrid Air Vehicles（混合空中飞艇公司，简称HAV）研制的全球最大飞行器Airlander10完成了它的首次试飞。Airlander10身长92米、宽44米、高26米，载重量达10吨，飞艇内部填充了130万立方英尺的氦气。HAV公司表示，Airlander10最多能够在空中手动航行连续5天时间不间断飞行，无人自动航行则可以连续两周时间不间断，适用于紧急救援、空中监管、旅行载客和物资运输等应用场景。

而中国在浮空器领域同样不落于人后。中国在飞艇领域的相关研究始于“十五”期间，近年来多所高校、科研院所开展了方案论证、关键技术攻关等研究工作，同时部分民营企业也投入到近空间飞艇的研制过程中。其中，北京航空航天大学在“十一五”和“十二五”期间完成了多次高空飞行技术验证，在超压囊体、循环能源、动力推进、飞行控制和发放回收等飞艇关键技术研究上取得了重要突破。2015年10月，北京航空航天大学、北京南江空天科技股份有限公司共同完成了近空间飞艇“圆梦号”的较长时间留空飞行试验，实现了可控飞行与完好回收，同时开展了近空间宽带数据传输、语音图像传输、对地观测与空中态势感知等初步应用试验，标志着中国在近空间飞艇研制领域迈入世界先进行列。

在气球方面，2017年9月10日由中科院光电院研制的超压气球在内蒙古首飞取得圆满成功。该气球球体体积约7000立方米，设计升限25千米，载重能力约150公斤。在飞行中还搭载了四类五种载荷，成功完成了高空无人机投放、高空吊舱环境热控、高空农业育种、高空太阳能电池标定和高空太阳能电池性能测试等试验，取得了大量有效的试验数据，其中多项试验均属国内首次。同年10月25日，中国自主研发的“旅行者”3号临近空间氦气球在新疆测试飞行成功。“旅行者”3号在升空后，一个多小时后到达20千米以上高空的稀薄空气中，共飞行了四个多小时，期间顺利完成了一系列技术测试。而在2021年第十三届珠海航展上，中国电科展出的JY-400系留气球侦察监视系统也十分引人瞩目。该系统是中国电子科技集团有限公司第三十八研究所根据当前国际市场用户需求情况研制的出口型系留气球侦察监视系统，采用一个椭圆形系留气球作为空中平台，搭载预警雷达、雷达侦察设备升空执行任务。资料显示，JY-400可提高对低空飞行目标、海面舰船目标预警能力；可对周围地区进行电磁频谱监测，提高低空、海面雷达情报侦察能力；也可根据用户需求，搭载通信、光电、雷侦、通侦、通信、干扰等各类型载荷，实现通信中继、对地观测侦察等任务。

此次文章开头提及的以色列由于身处敏感地区，长期与周边势力矛盾重重，加沙的哈马斯、黎巴嫩的真主党以及伊朗等近年来都在扩大和改进自己的火箭和导弹武器库方面取得了重大进展，这对以色列整个多层导弹防御架构提出了新的挑战，因此以浮空器为平台的预警系统对于国土狭小的以色列自然是非常重要的。

早在2014年7月和8月加沙边境地区防卫作战行动中，以色列就已经沿边境部署了13艘浮空器，用于遥控监视边境动态。而以色列本身也向其他国家出售了带雷达的系留浮空器，包括以色列航宇工业公司（IAI）的ELM-2083及其L波段有源电子扫描阵列(AESA)。制造商声称它能够跟踪多达500个目标，对战斗机大小目标的探测范围超过250千米，覆盖距离可达7000多米。ELM-2083的客户包括印度和新加坡，据悉后者将该系统与TCOM设计的气球结合使用。

此次以色列空军证实，“高可用性浮空器系统”(HAAS)是由IAI下属的埃尔塔（Elta）公司与IAF、以色列导弹防御组织(IMDO)和美国导弹防御局(MDA)合作开发的，气球本身是由美国TCOM公司生产。据介绍，HAAS驻扎在以色列北部的一个未命名地点，将用于“探测和告警高级威胁”，其主要传感器是空中远程预警（Sky Dew）高架雷达，预计将提供对低空飞行威胁的预警，例如巡航导弹、武器化无人机和其他空中威胁。以色列空军司令阿米卡姆·努尔金少将表示，该系统将成为加强国家边界保护的重要组成部分，并将有助于建立更准确和更广泛的空域图的能力。

参与航天，潜力巨大

另外，除了用于监视、预警以及情报收集外，浮空器在宇航发射领域的潜力也是不可忽视的。在各种发射运载火箭的方式中，使用空中平台将火箭“提”到高空再发射已经不是什么新闻了，目前主要采用的载体是飞机，而气球发射方式就是将借助气球吊装运载火箭上升到高空后再发射。此概念可最早追溯到1949 年，当时天体物理学家詹姆斯·范艾伦（James Van Allen）等人提出用气球发射火箭，这样可以减少火箭在地球大气层中消耗的燃料,但是由于当时的技术限制，这种方法并不被看好。不过随着近来“微纳卫星”开始流行，气球的作用也重新受到认可。

和普通的飞机相比，气球发射有着自己的优势。一方面使用气球的成本更低。系留气球能源由地面供给，可使用常规电力，不需要携带燃料，这样大大节约了飞行器的能源成本，而且气球一般可回收重复使用。综合效费比的话，系留气球的使用成本仅为飞机的5%，使用时还可以比飞机降低约30%的能耗。另一方面，气球能达到更高的高度。研究表明，在空气稀薄甚至没有大气环境的高空发射火箭，可以有效降低空气阻力和重力损失，而且能让发动机喷管能在最优条件下工作，所以能够将载荷入轨所需的速度增量降低8%。此外，高空的低温环境发也降低了对火箭的防热系统的要求，从而能够简化防热系统，实现火箭结构质量的优化。如在2017年3月，西班牙的零至无穷公司就在西班牙海岸附近利用气球将小型火箭——Bloostar提升至25千米高度后，成功实现Bloostar的分离、点火，并在海上完成回收，而一般的飞机难以达到25千米这样的高度。

在2019年的11月有报道称，美国洛杉矶创企狮子座（Leo）宇航公司正在研制一个系统，拟利用在18公里高空由巨型热气球投放的火箭来发射微小卫星。该气球被称为“雷古勒斯”，按可重复使用来设计，每个气球将能反复升空飞行100次，并将配备用来保持稳定和指向的多台推力器，以及供10米长的三级火箭发射用的专利性滑轨系统。按照计划，其火箭将能把33公斤的有效载荷送入550公里的太阳同步轨道，或把57公斤的有效载荷送入300公里的圆轨道。该公司还打算利用“雷古勒斯”和一款3米长的火箭开展亚轨道任务，能把100公斤有效载荷送到400公里高度，而且该系统基本上是采用一辆半挂卡车作为发射平台，因此还具备机动发射能力。不难推测的是，未来随着小型卫星发射任务的增多，这一新发射方式预计将迎来发展热潮。

称重传感器的分类，工作原理及使用方法

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。主要有S型、悬臂型、轮辐式、板环式、膜盒式、桥式、柱筒式等几种样式。

基本简介编辑

旧国标将应用对象和使用环境条件完全不同的“称重”和“测力”两种传感器合二为一来考虑，对试验和评价方法未给予区分。旧国标共有21项指标，均在常温下进行试验；并用非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差6项指标中的最大误差，来确定称重传感器准确度等级，分别用0.02、0.03、0.05表示。

柱式称重传感器

衡器上使用的一种力传感器。它能将作用在被测物体上的重力按一

传感器结构图

定比例转换成可计量的输出信号。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用综合误差带来综合控制传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带(图1)联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定，传感器的误差带δ占衡器误差带Δ的70%，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ。这就允许制造厂对构成计量总误差的各个分量进行调整，从而获得期望的准确度[1]。

分类编辑

称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

光电式

包括光栅式和码盘式两种。

光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号（图2）。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。

码盘式传感器（图3）的码盘（符号板）是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。

液压式

如图4所示，在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。

电容式

它利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d 的正比例关系工作(图6 )。极板有两块，一块固定不动，另一块可移动。在承重台加载被测物时，板簧挠曲，两极板之间的距离发生变化，电路的振荡频率也随之变化。测出频率的变化即可求出承重台上被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/200～1/500。

主要优点

电阻、电感和电容是电子技术中的三大类无源元件，电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的传感器，它实质上就是一个具有可变参数的电容器。

电容式传感器具有下列优点：

(1)高阻抗，小功率，仅需很低的输入能量。

(2)可获得较大的变化量，从而具有较高的信噪比和系统稳定性。

(3)动态响应快，工作频率可达几兆赫，稠b接触测量，被测物是导体或半导体均可。

(4)结构简单．适应性强，可在高低温、强辐射等恶劣的环境下工作，应用较广。

随着电子技术及计算机技术的发展，电容式传感器所存在的易受干扰和易受分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器：因此它在非电量测量和自动检测中得到广泛应用，可测量压力、位移、转速、加速度、A度、厚度、液位、湿度、振动、成分含量等参数。电容式传感器有着很好的发展前景。

主要缺点缺点一：输出阻抗高，负载能力差

缺点二：输出特性非线性

缺点三：寄生电容影响大

电磁力式

它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作（图5）。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。

磁极变形式

如图7所示，铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形时，内部产生应力并引起导磁率变化，使绕在铁磁元件（磁极）两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力，进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。

振动式

弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。

振弦式传感器的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达1/1000～1/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。

音叉式传感器的弹性元件是音叉。音叉端部固定有压电元件，它以音叉的固有频率振荡，并可测出振荡频率。当承重台上加有被测物时，音叉拉伸方向受力而固有频率增加，增加的程度与施加力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出重物施加于音叉上的力，进而求出重物质量。音叉式传感器耗电量小，计量准确度高达1/10000～1/200000，称量范围为500g～10kg。

陀螺仪式

如图10所示，转子装在内框架中，以角速度ω绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴 Y 倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z 旋转。转子轴 (X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动（进动）。进动角速度ω与外力P/2成正比，通过检测频率的方法测出ω，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。

陀螺仪式传感器响应时间快(5秒)，无滞后现象，温度特性好（3ppm）， 振动影响小， 频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/30000～1/60000)。

电阻应变式

利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作（图11）。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。

板环式

板环式称重传感器的结构具有明确的应力流线分布、输出灵敏度高、弹性体为一整体、结构简单、受力状态稳定、易于加工等优点。目前在传感器生产中还占着较大的比例,而对这种结构传感器的设计公式目前还不很完善。因这种弹性体的应变计算比较复杂,通常在设计时把它看作为圆环式弹性体进行估算。特别是对1t及以下量程的板环式传感器设计计算误差更大,同时往往还会出现较大的非线性误差。　　　　板环式称重传感器用途与特点：结构紧凑、防护性能好。精度高、长期稳定性好。适用于吊钩秤、机电结合秤及其它力值的测

数字式

1.定义

数字称重传感器是一种能将重力转变为电信号的力-电转换装置，它主要是指集电阻应变式称重传感器、电子放大器（英文简称AMC）、模数转换技术（英文简称ADC）、微处理器（简称MCU）于一体的新型传感器。

2.特点和应用

数字称重传感器和数字计量仪表技术的发展已逐渐成为称重技术领域的新宠，其以调试简便高效、适应现场能力强等优势正在该领域崭露头角。

3.S型定义

S型称重传感器

S型称重传感器如图所示是传感器中最为常见的一种传感器,主要用于测固体间的拉力和压力，通用也人们也称之为拉压力传感器，因为它的外形像S形状，所以习惯上也称S型称重传感器，此传感器采用合金钢材质，胶密封防护处理，安装容易，使用方便，适用于吊秤，配料秤，机改秤等电子测力称重系统。

构成编辑

1、敏感元件

直接感受被测量(质量)并输出与被测量有确定关系的其他量的元件。如电阻应变式称重传感器的弹性体，是将被测物体的质量转变为形变;电容式称重传感器的弹性体将被测的质量转变为位移。

2、变换元件

又称传感元件，是将敏感元件的输出转变为便于测量的信号。如电阻应变式称重传感器的电阻应变计(或称电阻应变片)，将弹性体的形变转换为电阻量的变化;电容式称重传感器的电容器，将弹性体的位移转变为电容量的变化。有时某些元件兼有敏感元件和变换元件两者的职能。如电压式称重传感器的压电材料，在外载荷的作用下，在发生变形的同时输出电量。

3、测量元件

将变换元件的输出变换为电信号，为进一步传输、处理、显示、记录或控制提供方便。如电阻应变式称重传感器中的电桥电路，压电式称重传感器的电荷前置放大器。

4、辅助电源

为传感器的电信号输出提供能量。一般称重传感器均需外链电源才能工作。因此，作为一个产品必须标明供电的要求，但不作为称重传感器的组成部分。有些传感器，如磁电式速度传感器，由于他输出的能量较大，故不需要辅助电源也能正常工作。所以并非所有传感器都要有辅助电源。

原理编辑

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。

称重传感器

一、电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R = ρL/S（Ω） （2—1）

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：

ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2）

用式（2--1）去除式（2--2）得到

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S （2—3）

另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr*Δr，所以

ΔS/S = 2Δr/r （2—4）

从材料力学我们知道

Δr/r = -μΔL/L （2—5）

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

= K *ΔL/L （2--6）

其中

K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （2--7）

式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便

常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（2--6）常写作：

ΔR/R = Kε (2—8)

二、弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。

以称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。

肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

ε = （3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2--9）

其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

三、检测电路

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

常用材料编辑

称重传感器性能的好坏很大程度上取决于制造材料的选择。称重传感器材料包括以下几个部分：应变片材料、弹性体材料、贴片黏合剂材料、密封胶材料、引线密封材料和引线材料。　　应变片和电阻元件材料　　应变片是称重传感器的感应部分，它将外力的大小转化为电学量输出，是传感器最重要的组成部分，常用的应变片基材采用高分子薄膜材料，应变材质通常为高纯度康铜 。应变片的性能不仅仅与基材和康铜纯度有关，还与制造工艺有关。提高工艺技术水平也是改善传感器性能一个很重要的方面。　　弹性体材料　　称重传感器弹性体的作用是传递外力，它必须具有在受到相同力大小的时候，产生形变一样，因为应变片就粘贴在弹性体上面，弹性体的形变就是应变片的形变；同时它还须具有复位性，在外力消失的时候，可以自动复位。弹性体材料通常选择各样金属，主要有铝合金、不锈钢和合金钢等等。　　贴片黏合剂材料　　贴片黏合剂是把应变片和弹性体牢牢固定在一起，使它们产生的形变永远一致。由此可见，贴片黏合剂也是一个重要部件。21世纪初，使用叫多的贴片黏合剂是双组分高分子环氧系列黏合剂。21世纪初，它的性能与它自身的纯度、混合方式、储存时间、固化方式、固化时间等关系很大，在使用之前按要仔细看它的详细介绍。　　密封胶材料　　早期的称重传感器密封都采用密封胶，后来由于制造技术的发展，用焊接技术可以提高极大传感器的稳定性和使用寿命。虽然21世纪初很多采用了焊接技术，但是某些重要部位还需涂抹一些密封胶。密封胶一般都采用硅胶，硅胶具有稳定性好的优点，可以防潮、防腐蚀，绝缘性能也非常好。　　引线密封和引线材料　　传感器输出引线如果不固定的话，会发生损坏或松动，导致信号不稳定或没有输出。21世纪初传感器输出都采用连接器的方式，连接器的材质和紧固力度也会给输出带来影响。最好采用连接器跟密封胶配合使用。内部引线也需要固定，防止其到处移动。引线的质量也很重要，其材质性能从高到低的排列顺序依次为镀银、铜线和铝线。如果周围高频信号、无线电波干扰严重的话，还需采用屏蔽电缆；在腐蚀性环境和易燃易爆场合则需要采用防腐防阻燃和防爆电缆，外加套管进行保护。[2]

安装注意事项编辑

1、称重传感器要轻拿轻放，尤其对于用合金铝材料作为弹性体的小容量传感器，任何振动造成的冲击或者跌落，都很有可能造成很大的输出误差。

2、设计加载装置及安装时应保证加载力的作用称重传感器受力轴线重合，使倾斜负荷和偏心负荷的影响减至最小。

3、在水平调整方面。如果使用的是称重传感器的话，其底座的安装平面要使用水平仪调整直到水平；如果是多个传感器同时测量的情况，那么它们底座的安装面要尽量保持在一个水平面上，这样做的目的主要是为了保证每个传感器所承受的力量基本一致。

4、按照其说明中称重传感器的量程选定来确定所用传感器的额定载荷。

5、为防止化学腐蚀．安装时宜用凡士林涂称重传感器外表面。应避免阳光直晒和环境温度剧变的场台使用。

6、在称重传感器加载装置两端加接铜编织线做的旁路器。

7、电缆线不宜自行加长，在确实需加长时应在接头处锡焊，并加防潮密封胶。

8、在称重传感器周围最好采用一些挡板把传感器罩起来。这样做的目的可防止杂物掉进传感器的运动部分，影响其测量精度。

9、传感器的电缆线应远离强动力电源线或有脉冲波的场所，无法避竞时应把称重传感器的电缆线单独穿入铁管内，并尽量缩短连接距离。

10、按其说明中的称重传感器量程选定来确定所用传感器的额定载荷，称重传感器虽然本身具备一定的过载能力，但在安装和使用过程中应尽量避免此种情况。有时短时间的超载，也可能会造成传感器永久损坏。

11、在高度精度使用场合，应使/称重传感器和仪表在预热30分钟后使用。

应用编辑

在高速公路的入口处建造载重检测支路，当载重卡车驶过动态称重桥时，称重传感器和电子称即自行检查判断，同时给出信号控制交通信号灯。这样我们就能很好的知道车辆有没有超重，从而考虑要不要此车辆通行。这种应用在高速路上的称重传感器要求量程大，精度要求不是特别高，但是长期稳定性必须好，随着传感器和其它电子设备的发展，将会越来越智能化，从而实现无人控制就能阻止超重车辆通过，还能能车辆按重量收费。

接线方法编辑

称重传感器的出线方式有4线和6线两种，模块或称重变送器的接线也有4线和6线两种，要接4线还是6线首先要看你的硬件要求是怎样的，原则是：传感器能接6线的不接4线，必须接4线的就要进行短接。　　一般的称重传感器都是六线制的，当接成四线制时，电源线（EXC-，EXC+）与反馈线（SEN-，SEN+）就分别短接了。SEN+和SEN-是补偿线路电阻用的。SEN+和EXC+是通路的，SEN-和EXC-是通路的。　　EXC+和EXC-是给称重传感器供电的，但是由于称重模块和传感器之间的线路损耗，实际上传感器接收到的电压会小于供电电压。每个称重传感器都有一个mV/V的特性，它输出的mV信号与接收到的电压密切相关，SENS+和SENS-实际上是称重传感器内的一个高阻抗回路，可以将称重模块实际接收到的电压反馈给称重模块。假设EXC+和EXC-为10V,线路损耗，传感器2mV/V，实际上传感器输出最大信号为（）*2=19mV，而不是20mV。此时称重传感器内部就会把19mV作为最大量程，前提是传感器必须通过反馈回路把实际电压反馈给称重模块。在称重传感器上将EXC+与 SENS+短接，EXC-与SENS-短接，仅限于传感器与称重模块距离较近，电压损耗非常小的场合，否则测量存在误差。

工作过程编辑

在测量过程中，重量加载到称重传感器的弹性体上会引起塑性变形。

电阻应变式称重传感器的工作过程

应变 (正向和负向) 通过安装在弹性体上的应变片转换为电子信号。

仪表应用编辑

称重仪表也叫称重显示控制仪表，是将称重传感器信号（或再通过重量变送器）转换为重量数字显示，并可对重量数据进行储存、统计、打印的电子设备，常用于工农业生产中的自动化配料，称重，以提高生产效率。

在工企业中应用的称重仪表性能指标通常用精确度（又称精度）、变差、敏锐度来形貌。仪表工校验仪表通常也是调校精确度，变差和敏锐度三项。

1.变差是指称重仪表被测变量（可明白为输入信号）多次从差异偏向到达同一数值时，仪表指示值之间的最大差值，大概说是仪表在外界条件稳固的环境下，被测参数由小到大变革（正向特性）和被测参数由大到小变革（反向特性）不划一的程度，两者之差即为仪表变差。可靠性 称重控制仪表可靠性是化工企业仪表工所寻求的另一紧张性能指标。可靠性和仪表维护量是相反相成的，仪表可靠性高阐明仪表维护量小，反之仪表可靠性差，仪表维护量就大。对付化工企业检测与进程控制仪表，大部门安置在工艺管道、种种塔、釜、罐、器上.

2.称重仪表在称重传感器中的稳固性 在划定事情条件内，称重仪表某些性能随时间连结稳固的本领称为稳固性（度）。仪表稳固性是化工企业仪表工非常体贴的一天性能指标。由于化工企业利用仪表的环境相比拟力恶劣，被测量的介质温度、压力变革也相比拟力大，在这种环境中投入仪表利用，仪表的某些部件随时间连结稳固的本领会低沉，仪表的稳固性会降落。徇或表征仪表稳固性尚未有定量值，化工企业通常用仪表零漂移来衡量仪表的稳固性。称重仪表稳固性的优劣直接干系到仪表的利用范畴，偶然直接影响化工生产，稳固性不好造成的影响每每双仪表精度降落对化工生产的影响还要大。稳固性不好仪表维护量也大，是仪表工最不盼望出现的事情。

3.称重仪表的 敏锐度偶然也称"放大比"，也是仪表静特性贴切线上各点的斜率。增长放大倍数可以提高仪表敏锐度，单纯加大敏锐度并不变化仪表的基天性能，即称重仪表精度并没有提高，相反偶然会出现振荡征象，造成输出不稳固。仪表敏锐度应连结恰当的量。

对于大部分客户来讲，仪表精度虽然是一个紧张指标，但在实际利用中，每每更强调仪表的稳固性和可靠性，因为化工企业检测与进程控制仪表用于计量的为数不多，而大量的是用于检测。别的，利用在进程控制体系中的检测仪表其稳固性、可靠性比精度更为紧张。

随着仪表更新换代，特别是微电子技能引入称重仪表制造行业，使仪表可告性大大提高。仪表生产厂商对这天性能指标也越来越珍视，通常用平均无妨碍时间MTBF来形貌仪表的可靠性。一台全智能称重变送器的MTBF比一样平常非智能仪表如电动Ⅲ变送器要高10倍左右。称重仪表在使用前要与称重传感器配套进行数字标定。标定实际上就是用标准砝码对衡器进行校准。标定后的仪表内部保存有相对于这一组传感器的标定系数。有了这个系数后，仪表才可以把称重传感器的模拟信号转变为重量数字显示。

TJH-2A平行梁传感器

市场前景编辑

传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。

一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。

全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

选择编辑

另外，称重传感器的灵敏度、最大分度数、最小检定分度值等也是传感器选用中必须考虑的指标。

传感器的数量和量程

传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数(支撑点数应根据秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定)而定。一般来说秤体有几个支撑点就选用几只传感器。

传感器的量程选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体自重、可产生的最大偏载及动载因素综合评价来决定。下面给出一个经过大量实验验证的经验公式。

公式如下：

C=K0×K1×K2×K3(Wmax+W)/N

式中 C一单个传感器的额定量程

W一秤体自重

Wmax一被称物体净重的最大值

N一秤体所采用支撑点的数量

K0一保险系数，一般取1.2～1.3之间

K1一冲击系数

K2一秤体的重心偏移系数

K3一风压系数

使用环境

称重传感器实际上是一种将质量信号转换成可测量的电信号输出装置。用传感器首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对于正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。一般情况下，高温环境对传感器造成涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题；粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响；在腐蚀性较高的环境下会造成传感器弹性体受损或产生短路现象；电磁场对传感器输出会产生干扰。相应的环境因素下我们必须选择对应的称重传感器才能满足必要的称重要求。

准确度等级选择

称重传感器的准确度等级包括传感器的非线性、蠕变、重复性、滞后、灵敏度等技术指标。

应用范围及用途

譬如铝合金悬臂梁传感器适合于电子计价秤、平台秤、案秤等；钢式悬臂梁传感器适用于电子皮带秤、分选秤等；钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡等；柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。称重传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域。如电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。

应用编辑

计重收费是车辆通过设置在收费站收费车道前端的动态称重装置、车辆分离装置、车型识别装置时，数据采集处理装置将采集到的相关信息传送至车道收费计算机，对通行车辆按轴重或总重的超限情况确定适当收费标准的通行费征收方式。该系统应用到称重传感器，由于称重传感器的精准感知使得计重收费变得更加合理。　　车辆驶入收费车道，其轮轴依次压过铺设在车道路面中的高精度动态轴重仪、轮轴识别器，控制模块将信号传输至数据采集处理器，经过预设的综合动态数据处理程序，称重数据处理器将计算出每轴轴重、总轴重、总车重、轴型(单轴、联轴)、轮胎类型(单双胎)等信息。安装在路侧的红外线车辆分离变频传感器可准确判别车辆是否完全通过。当车辆完全离开红外线光幕后，称重数据处理器将称重结果、车型判别结果等信息传输到车道收费计算机。车道收费计算机依据计重收费费率对车辆实行计重收费，并将车辆的载重信息和应交纳的金额显示在计重显示屏上。

新技术编辑

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官,而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了,为适应这种情况，就需要传感器,因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

产品缺点编辑

缺点一：输出阻抗高，负载能力差

电容式称重传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制不易做得很大，一般为几十到几百微法，甚至只有几个微法。因此，电容式称重传感器的输出阻抗高，因而负载能力差，易受外界干扰影响产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。必须采取妥善的屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能，为此还要特别注意周围的环境如温度、清洁度等。若采用高频供电，可降低电容式称重传感器的输出抗阻，但高频放大、传感器远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作的稳定性。

缺点二：输出特性非线性

电容式称重传感器的输出特性是非线性的，虽采用差分型来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将于传感器电容器直接叠加，使输出特性非线性。

缺点三：寄生电容影响大

电容式称重传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电容、电子线路的杂散电容以及传感器内板极与周围导体构成的电容等所谓寄生电容缺较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有严格的要求。例如，采用屏蔽性好、自身分布电容小的高频电线作为引线，引线粗而短，要保证仪器的杂散电容小而稳定等等，否则不能保证高的测量精度。

应该指出，随着材料、工艺、电子技术,特别是集成技术的高速发展，使电容式称重传感器的优点得到发扬而缺点不断在克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。

五种误差编辑

1、特性误差。是由设备本身引起的，包括DC漂移值、斜面的不正确或斜面的非线形。毕竟设备理想的转移功能特性和真实特性之间会存在差距。

2、称重传感器应用误差。也就是由操作而产生的误差，包括探针放置错误、探针与测量地点之间不正确的绝缘、空气或其他气体的净化过程中的错误、变送器的错误放置等多种操作错误引发的误差。

3、动态误差。适用于静态条件的传感器会具有较强的阻尼，因此对输入参数的改变响应较慢，甚至要数秒才能响应温度的阶跃改变。一些具有延迟特性的称重传感器会在对快速改变响应时产生动态误差。响应时间、振幅失真和相位失真都会导致动态误差。

4、插入误差。是由于系统中插入一个传感器时，改变了测量参数而产生的误差。使用了一个对系统过于大的变送器、系统的动态特性过于迟缓、系统中自加热加载了过多的热能等，都会导致插入误差。

5、环境误差。称重传感器使用也会受温度、摆动、震动、海拔、化学物质挥发等环境影响，这些因素都极易引发环境误差。

误差分析编辑

1、称重传感器运用差错是操作人员发生的，这也意味着发生的缘由许多，例如，温度不同时发生的差错，包罗探针放置过错或探针与测量地址之间不正确的绝缘，别的一些应用差错包罗空气或其他气体的净化过程中发生的过错，运用差错也触及变送器的过错放置，因而正或负的压力将对正确的读数形成影响。

2、特性差错为设备自身固有的，它是设备的、公认的搬运功用特性和实在特性之间的差，这种差错包罗DC漂移值、斜面的不正确或斜面的非线形。

3、动态差错许多传感器的特性和校准都是适用静态条件下的，这意味着运用的输入参数是静态或类似于静态的，许多传感器具有较强阻尼，因而它们不会对输入参数的改动进行疾速呼应，如，热敏电阻需求数秒才干呼应温度的阶跃改动。

4、热敏电阻不会当即跳跃至新的阻抗，或发生骤变，相反，它是慢慢地改动为新的值，然后，若是具有推迟特性的称重传感器对温度的疾速改动进行呼应，输出的波形将失真，由于其间包含了动态差错。发生动态差错的要素有呼应工夫、振幅失真和相位失真。

5、插入差错是当体系中刺进一个传感器时，由于改动了测量参数而发生的差错，普通是在进行电子丈量时会呈现这样的问题，但是在其他方法的测量中也会呈现类似问题，例如一个伏特计在回路中测量电压，它肯定会有一个固有阻抗，比回路阻抗要大许多，或许呈现回路负荷，这时，读数就会有很大的差错，这种类型的差错发生的缘由是运用了一个对体系(如，压力体系)而言过于大的变送器;或许是体系的动态特性过于缓慢，或许是体系中自加热加载了过多的热能。

6、环境差错来源于传感器运用的环境，称重传感器要素包罗温度，或是摇摆、轰动、海拔、化学物质蒸发或其他要素，这些常常影响传感器的特性，所以在实践运用中，这些要素总是被分类会集在一起的。

工作原理编辑

负荷传感器是称重传感器、测力传感器的统称，用单项参数评价它的计量特性。

电阻应变式称重传感器主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。电阻应变式称重传感器的称量范围为几十克至数百吨，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器都使用这种传感器。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体弹性元件，敏感梁在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片转换元件也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化增大或减小，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号电压或电流，从而完成了将外力变换为电信号的过程。在测量过程中，重量加载到称重传感器的弹性体上会引起塑性变形。电阻应变式称重传感器的工作过程应变正向和负向通过安装在弹性体上的应变片转换为电子信号。最简单的弯曲梁称重传感器只有一个应变片。通常，弹性体和应变片通过多种方式来结合，类似外壳密封部件等来保护应变片。

称重传感器在选用时要考虑到很多因素，实际的使用当中我们主要从下列几个因素考虑。称重传感器的量程根据你的用途，称重传感器的量程选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体自重、可产生的最大偏载及动载因素综合评价来决定。一般来讲，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但是在实际的使用当中，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。其次称重传感器的准确度等级包括传感器的非线性、蠕变、重复性、滞后、灵敏度等技术指标。在选用的时候不应该盲目追求高等级的传感器，应该考虑电子衡的准确度等级和成本。一般情况下，选用传感器的总精度为非线性、不重复性和滞后三项指标的之和的均方根值略高于秤的精度。称重传感器形式的选择主要取决于称重的类型和安装空间，保证安装合适，称重安全可靠；另一方面要考虑厂家的建议。对于传感器制造厂家来讲，它一般规定了传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构形式、弹性体的材质等。

称重传感器基本知识

1、什么是称重传感器？

称重传感器是用来将重量信号或压力信号转换成电量信号的转换装置。

2、称重传感器的测量原理是什么？

称重传感器采用金属电阻应变片组成测量桥路，利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细，电阻增加的原理，即金属电阻随所受应变而变化的效应而制成的（应变，就是尺寸的变化）。

3、称重传感器的构造原理？

金属电阻具有阻碍电流流动的性质，即具有电阻（Ω），其阻值依金属的种类而异。同一种金属丝，一般来讲，越是细长，其电阻值就越大。当金属电阻丝受外力作用而伸缩时，其电阻值就会在某一范围内增减。因此，将金属丝（或膜）紧贴在被测物体上，而且这种丝或膜又很细或很薄，粘贴又十分完善，那麽，当被测物体受外力而伸缩时，金属电阻丝（膜）也会按比例伸缩，其阻值也会相应变化。称重传感器就是将金属电阻应变片粘贴在金属称重梁上进行测量重量信号的。

4、称重传感器的外形构造与测重形式？

称重传感器的外形构造随被测对象的不同，其外形构造也会不同。

A、比较常见的称重传感器的外形构造：

圆柱形（杯柱形）；S形；长方形等。

B、测重形式：

压缩式；伸张式。

圆柱形（杯柱形）一般均为压缩式测重形式。

S形，长方形均为压缩式，伸张式两用测重形式。

C、内部金属称重梁形式：

一般分为单孔或双孔形式。

D、鹤林公司使用的称重传感器的外形构造与测重形式：

圆柱形——称重仓（压缩式），原料粉煤灰秤（压缩式）。

S形——皮带秤（压缩式），包装机袋重秤（伸张式）。

长方形——汽车衡（压缩式），轨道衡（压缩式），煤粉天平秤（伸张式），固体流量计（压缩式）。

5、称重传感器的电路组成？

称重传感器进行测量时，我们需要知道的是应变片受应变时的电阻变化。通常总是采用应变片组成桥式电路（惠斯登电桥），将应变片引起的电阻变化转换成电压变化来进行测量的。

设：电桥的输入激励电压为Ei, ①

则电桥的输出电压△E0为：

R1 R2

△E0=Ei×[(R1R3-R2R4)/(R1+R2)(R3+R4)]

输入激励电压 ③ 输出电压

令电桥的初始条件为

R1=R2=R3=R4， ④

则△E0=0。

设电阻值R1的应变片受应变作用 R3 R4

后的电阻变化为R+△R，则电桥的输 ②

出电压△E0为：

△E0=Ei[△R/（4R+2△R）]≌（△R/4R）Ei (R>>△R)

由于△R=R×K0×ε，所以

△E0=（Ei×K0×ε）/4

例如，设K0=2，ε=1000×0.000001, Ei=1V

则: △E0=(1×2×1000×0.000001)/4=0.5mV

式中 K0=系数（一般为2）

ε=应变系数(一般为500×0.000001~2000×0.000001;相当于10~40Kgf/mm2。)

Ei=输入的激励电压

为了增加电桥的视在输出,大多都将电桥设计成4枚应变片都受力作用的形式(4个工作片)。

此时 △E0=0.5mV×4=2 mV

6、传感器的输出灵敏度的表示方法？

电桥的输出电压通常用输入激励电压为1V时的输出电压（mV/V）来表示。通常称传感器的输出灵敏度。

7、为什么传感器内部要加补偿电路？

称重传感器在制造过程中，为了改善它的性能，特别是改善温度特性，一般要在应变片电路中附加对零点和灵敏度的温度补偿。即除了应变片外，其中还增加了各种补偿电阻。

零点补偿的目的是尽量减小电桥零点随温度的变化，因此，出应变片本身的温度自补偿外，又加入了电阻温度系数和电桥中应变片的温度系数不同的电阻元件（如铜电阻或镍电阻等），以加强补偿作用。

灵敏度补偿的目的是减小输出电压随温度的变化，即补偿弹性体的弹性系数和应变片的灵敏度系数随温度的变化。因此，对电桥中串接了两个与电桥温度补偿作用相同的电阻。同时电路中的其它电阻用于将电桥的初始平衡，额定输出和输入电阻等参数调整到规定的数值。

8、称重传感器的参数指标（中英文对照）

Model: STC-100Kg (型号规格)

Cap: 100Kg （量程范围）

Date: 2005/01/14 （生产日期）

S/N: X02274 （出厂编号）

FSO: 2.9981 mV/V （灵敏度）

Recommended Excitation: 10V AC/DC （推荐激励电压）

Maximum Excitation: 15V AC/DC （最大激励电压）

Output at Rated Load: 2.9981 mV/V （额定负荷输出）

Non Linearity: <0.020% （非线性）

Hysteresis: <0.020% （滞后）

Creep(30 minutes): 0.029% （30分钟蠕动）

Non Repeatability: <0.01% （非重复性）

Zero Retum(30 minutes): 0.030% （30分钟零点漂移）

Temp. Effect/℃ on Span: <0.0015% （温度变化1℃对量程的影响）

Temp. Effect/℃ on Zero: <0.0026% （温度变化1℃对零点的影响）

Compensated Temp.Range: -10 to 40℃ （温度补偿范围）

Operating Temp.Range: -20 to 60℃ （工作温度范围）

Zero Balance: ±1% （零点平衡）

Input Resistance: 380±5Ω （输入阻抗）

Output Resistance: 350±3Ω （输出阻抗）

Insulation Resistance(50VDC): >5000MΩ （绝缘电阻）

Deflecion at Rated Load: Nil （零） （额定负荷下的倾斜度）

Safe Overload: 150% （允许超载）

Ultimate Overload: 300% （最终超载）

9、称重传感器引线功能的具体判断方法

由于不同生产厂家的传感器引线的颜色不同，所以不能以具体颜色来判断引线功能。

发展趋势与挑战编辑

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段，在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种称重传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位，现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应，此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的称重传感器是不可能的，许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破，一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

称重传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域，可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

中国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。传感器技术历经了多年的发展，其技术的发展大体可分三代：

第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。

第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器。

第三代传感器是以后刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。

资料显示，目前我国传感器产品约6000种左右，而国外已达20000多个，远远满足不了国内市场需求。中高端传感器进口占比达80%，传感器芯片进口更 是达90%，国产化缺口巨大。其中数字化、智能化、微型化等高新技术产品严重短缺。国家重大装备所需高端产品主要依赖进口。而涉及国家安全和重大工程所需 的传感器及智能化仪器仪表，国外对我国往往采取限制。　　传感器技术产业渗透性强，其发展滞后局 面已经对我国新兴产业的推进形成制约。由于我国传感器技术总体实力仍处于弱势，短时间内寻求全面突破恐不现实。因此，发展传感器技术应首先争取在局部形成 突破，掌握一批具有自主知识产权的核心技术，通过这些关键性领域突破的辐射带动推动产业进步。 事实上，我国传感器产业在某些领域已形成优势。先施科技、远望谷等企业在超高射频RFID产品领域占据国内90%的市场份额。根据湘财证券研究报告，汉威电子气体传感器国内市场占有率也高达60%，气体检测仪器仪表市场占有率达9%。

在众多应用领域，传感器虽然是不可或缺的关键器件，但它只能依附于大的产业系统而存在，在很多领域往往还需要量身定做，不少单个领域市场规模并不大，因此企业不应一味追求规模。

随着市场的扩大，称重传感器的厂家也慢慢变得多了起来，如何在市场上能做的更好，不难分析得出，只有在不断的提高传感器的技术和服务才能走在市场顶端。随着新技术革命的来到，中国乃至全球都开始进入一个全新的信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器才是获取自然和生产领域中信息的最主要途径与手段。

在现代化工业生产以及自动化生产过程中，需要用到各种称重传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，称重传感器的功能是使设备工作在正常状态或最佳状态，并使生产出来的产品达到最好的质量。可以说，没有众多的优良的称重传感器，现代化生产也就失去了基础。如此看来，称重传感器将在这个智能化生产产业中是会有美好的发展前途。

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