摘要：质量是测量领域中的一个重要参数，称重技术自古以来就被人们所重视。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。然而称重传感器作为电子秤的核心部件，更是有着更为广大的发展空间
关键词：传感器 种类 选型
一、前言
电子秤就是日常生活中常用的电子衡器，广泛应用于超市、大中型商场、物流配送中心。电子秤在结构和原理上取代了用开杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，电子秤具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、方便于操作使用等优点，在外形布局、工作原理、结构和材料上都是全新的计量衡器。电子秤的设计首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中，再经过单片机控制译码显示器，因此显示出被测物体的重量。
现在市场上使用的称量工具，或者是结构复杂，或者运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。并且现在市场上电子秤产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的电子秤系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善电子秤系统在应用中的不足之处，具有现实意义。
二、称重传感器的定义与组成
1）定义 ： 它是一种力传感器，通过把被测量（质量）转化为另外一种被测量（电量）来测量质量的力传感器。称重传感器是电子衡器的重要组成部分，在使用称重传感器时，应考虑使用地点的重力加速度和浮力的影响。电子衡器应用称重传感器把被测物体的重量转化成电量，然后通过响应的检测仪表显示物体的质量。由此可见，称重传感器的性能好坏对于电子衡器的性能是至关重要的。
2）组成：称重传感器一般由敏感元件、变换元件、测量元件等几部分组成，有时加辅助电源。
敏感元件：直接感受被测量（质量）并输出与被测量功能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；电容式称量传感器的弹性体将被测的质量转变为位移。
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，将弹性体的唯一转变为电容量的变化。有时某些元件兼有敏感元件和变化元件两者的功能。如压电式称重传感器的压电材料，在外载荷的作用下，在发生形变的同时输出电量。
测量元件（测量电路）：将变换元件的输出转变为电信号，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，压电称重传感器的电荷前置放大器。
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要外接电源才能工作。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，由于它输出的能量较大，故不需要辅助电源也能正常工作。所以并非所有传感器都需要有辅助电源。
三、 称重传感器的种类
称重传感器的种类较多，但根据变化工作原理来分，主要有电阻应变式、电容式、差动变动器式、压磁式、压电式、振频式、陀螺式等。下面对几种常用称重传感器进行简要阐述：
1）电阻应变式与差动变压器式传感器
是将电阻应变计（电阻应变片）粘贴在弹性体上，当弹性体受外力（拉力或压力）作用产生形变时，电阻应变计将该形变转化成电量输出，通过相应的测量仪表检测出这个与外加重量成一定比例关系的电量，从而测出质量。
2）电容式与差动变压器式传感器
是通过弹性体将物体质量转换成位移，从而引起电容和电感的改变，利用相应的测量仪表检测出这个变化的电容量再换算成质量。
3）压磁式传感器
是利用铁磁物质在外加质量作用下，铁磁材料的磁导系数和磁阻的改变，从而使绕在铁心上的线圈阻抗变化，线圈阻抗的变化与质量成一定比例关系，因此检出线圈阻抗的变化，便可求得质量。
4）压电式传感器
是利用某些晶体介质在受一定方向外加质量作用是，引起内部正负电荷的相对转移，从而使晶体两端表面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与质量成正比关系。
5）振频式传感器
金属丝或金属膜片的固有震动频率的不紧与其几何尺寸、密度、材料有关，而且还与内部应力状态。当它们的几何尺寸、材料、密度一定时，外加的质量可以改变它们的内部应力，因而其振动频率也就相应改变，利用振频测量仪器测出频率的变化量，即可求得质量。
6）陀螺式传感器
是利用陀螺式进动特征和力矩效应工作的，是近几年来发展起来的一种新型的称重传感器，其特点是作用力方向上无位移，不存在静平衡问题以及弹性应变中的储能和恢复问题，因而无滞后，刚性大，线性好，响应快，分辨率高，稳定性好，抗干扰能里强。由于是直接数字输出，没有数模转换问题，因而陀螺式称重传感器引人注目。在上述称重传感器中，当前应用最为广泛的称重传感器是电阻应变式称重传感器，因为这种传感器的结构比较简单，技术比较成熟，制作容易，准确度高，稳定性好。
四、称重传感器的选型
根据经济和现实需要我们选择电阻应变式称重传感器。
工作原理和组成：是基于金属丝在受拉或受压后产生弹性形变，其电阻值也随之产生相应的变化这一物理特征实现的。
电阻应变片的主要技术特征
1）灵敏度
金属丝的灵敏系数（K0）是表示金属丝受力后，电阻的相对变化与轴向长度的变化之间的关系。当金属丝制成应变片之后，应变片的灵敏度系数K就是一个新的量值了，而且K恒小于K0。这是由于除了胶基对力传递变形失真外，主要还存在有横向效应，而且K还是温度的函数，所以对K的主要要求是稳定性。
2 )向效应
粘贴在试件上的应变片，起敏感栅由许多条直线及圆角部分组成。当受到纵向应力之后，直线段的电阻将增加，圆角部分的电阻将减小，其综合效应是使应变片的灵敏度下降，这种现象称为应变片的横向效应。在工程上采用箔式应变片可以减少横向效应。
3）线性度
试件上的应变敏感元件，其电阻的相对变化ΔR/R理论上呈线性关系。实际上，当施加到试件上的力超过一定范围时，就会出现非线性关系
4）机械滞后和热滞后
当对贴有应变片的试件循环加载和卸载时，应变片ΔR/R与ΔL/L之间的特性曲线的不重合程度称为机械滞后。把加载和卸载特征曲线的最大差异值称为应变片的机械滞后值。它的物理意义是，保持外界条件不变，对试件循环加载、卸载过程中，对同一个载荷，应变片输出的差值即为机械滞后值。
5）零漂和蠕变
在恒温条件下，贴有应变片的试件不承受载荷，应变片的阻值随时间变化的情况称为应变片的零漂。在恒温条件下，加到贴有应变片的试件上的载荷力恒定，应变片的应变输出随时间变化的情况称为应变片的蠕变。
6）应变极限
粘贴在试件上的应变片所能测试的最大载荷力称为应变极限。在恒温条件下，缓慢均匀地施加载荷力，当应变片的输出大于机械应变的10%时，就认为应变片已接近破坏状态，此是的应变值就称为应变极限。
7）电阻应变片的疲劳寿命
应变片粘贴到试件上之后，在应变极限之内往复循环地施加载荷，应变片所能承受某一特定载荷作用的循环次数为应变片本身的尺寸等条件有关。使用中不允许电流的数值并注意相关的条件。
8）电阻应变片的容许电流
应变片接成桥路之后，当有电流通过时，将会产生热量，可以使电阻应变片的温度升高。当电流超过允许电流值时，可能造成应变片烧断。显然，允许电流与试件的尺寸，材料的导热系数及应变片本身的尺寸等条件有关。使用中不允许超过允许电流的数值并注意相关条件。
9）电阻应变片的绝缘电阻
应变片的引线与试件之间的电阻值称为绝缘电阻。他的数量级为兆欧级。
10）电阻应变片的动态响应特性
进行动态测量时，应变是以应变波的形式字材料中传播（传播速度与声波相同），当应变波字应变片的敏感栅的轴向传播时，将会产生延迟。当测量以正弦规律变化的载荷时，应变片反映的应变波形是线栅长度内所感受变量的平均值，故所反映的波幅将低于实际应变数，而造成误差。
五、结束语
衡器是所有计量器具中应用范围最广泛、品种数量最多的计量器具，它不仅仅与人们的生活密切相关，它已广泛渗透到国民经济各个部门、各个行业中，对维护市场经济秩序和国民经济的稳定发展起到了十分重要的作用。 |
