称重传感器的原理及应用

随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。

1．高速定量分装系统

本系统由微机控制称重传感器的称重和比较，并输出控制信号，执行定值称量，控制外部给料系统的运转，实行自动称量和快速分装的任务。

系统采用MCS-51单片机和V/F电压频率变换器等电子器件，其硬件电路框图如图1所示，用8031作为中央处理器，BCD拔码盘作为定值设定输入器，物料装在料斗里，其重量使传感器弹性体发生变形，输出与重量成正比的电信号，传感器输出信号经放大器放大后，输入V/F转换器进行A/D转换，转换成的频率信号直接送入8031微处理器中，其数字量由微机进行处理。微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路，显示出瞬时物重，另一方面则进行称重比较，开启和关闭加料口、放料于箱中等一系列的称重定值控制。

图1 原理框图

在整个定值分装控制系统中，称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件，选用GYL-3应变式称重测力传感器。四片电阻应变片构成全桥桥路，在所加桥压U不变的情况下，传感器输出信号与作用在传感器上的重力和供桥桥压成正比，而且，供桥桥压U的变化直接影响电子称的测量精度，所以要求桥压很稳定。毫伏级的传感器输出经放大后，变成了0-10V的电压信号输出，送入V/F变换器进行A/D转换，其输出端输出的频率信号加到单片机8031定时器1的计数、输入端T1上。在微机内部由定时器0作计数定时，定时器0的定时时间由要求的A/D转换分辩率设定。

定时器1的计数值反映了测量电压大小即物料的重量。在显示的同时，计算机还根据设定值与测量值进行定值判断。测量值与给定值进行比较，取差值提供PID运算，当重量不足，则继续送料和显示测量值。一旦重量相等或大于给定值，控制接口输出控制信号，控制外部给料设备停止送料，显示测量终值，然后发出回答令，表示该袋装料结束，可进行下袋的装料称重。

图2所示为自动称重和装料装置。每个装料的箱子或袋子沿传送带运动，直到装有料的电子称下面，传送带停止运动，电磁线圈2通电，电子称料斗翻转，使料全部倒入箱子或袋子中，当料倒完，传送带马达再次通电，将装满料的箱子或袋子移出，并保护传送带继续运行，直到下一次空袋或空箱切断光电传感器的光源，与此同时，电子称料箱复位，电磁线圈1通电，漏斗给电子秤自动加料，重量由微机控制，当电子秤中的料与给定值相等时，电磁线圈1断电，弹簧力使漏斗门关上。装料系统开始下一个装料的循环。当漏斗中的料和传送带上的箱子足够多时，这个过程可以持续不断地进行下去。必要时，工作人员可以随时停止传送带，通过拔码盘输入不同的给定值，然后再启动，即可改变箱或袋中的重量。

图2 自动称重和装料装置[page]

本系统选用不同的传感器，改变称重范围，则可以用到水泥、食糖、面粉加工等行业的自动包装中。

2．传感器在商用电子秤中的应用

目前，商用电子计价秤的使用非常普及，逐渐会取代传统的杆称和机械案秤。电子计价秤在秤台结构上有一个显著的特点：一个相当大的秤台，只在中间装置一个专门设计的传感器来承担物料的全部重量，如图3所示。常用的电子计价秤传感器的结构如图4所示，其中图4（a）为双连椭圆孔弹性体，秤盘用悬臂梁端部上平面的两个螺孔紧固；图4（b）为梅花型四连孔弹性体，秤盘用悬臂梁端部侧面的三个螺孔坚固，中间支杆上粘贴补偿用的应变片。这两种形式的传感器，在计价秤中用得最多。图4（c）为三梁式弯曲弹性体，采样弯曲应力，对重量反应敏感，宜用来制作小称量计价秤。图4（d）为三梁式剪切弹性体，采样中间敏感梁的剪切应力，宜用来制作几百公斤称量范围计价秤。

图3 计价秤内部结构示意图

图4 计价秤用弹性体结构

用这些复梁型高精度传感器来支承一个大的称重平台，被称重物又可能放置在任何称台的任意位置上，必然会产生四角示值误差，对图4（a），（b）两种结构形式的传感器，可通过锉磨的形式进行角差修正。对图4(c)，(d)，它有上下两根局部削弱的柔性辅助梁，使传感器对侧向力、横向力和扭转力矩具有很强的抵抗能力，可以通过锉磨辅助梁的柔性部位来调整传感器的灵敏系数和四角误差。图5为一种商用电子计价秤的电路框图。传感器采用的是图4（b）所示的梅花型四连孔结构，该秤具有置零、自动清除单价、零位自动跟踪、自动去皮、次数累计和金额累计、打印输出等功能，7段绿色荧光数码管显示，使用十分方便。

图5 电子计价秤的电路框图

图6是采用CHBL3型号S型双连孔弹性体称重传感器制作的便携式家用电子手提秤的原理图，由称重传感器、放大电路、A/D转换和液晶显示四部分组成。图中，E为9V的叠层电池，R1-R4是称重传感器的4个电阻应变片，R5、R6与W1组成零点调整电路。当载荷为零时，调节RW1使液晶显示屏显示为零。A1，A2为双运放集成电路LM358中的两个单元电路，组成了一个对称的同相放大器，A/D转换器采用ICL7106双积分型A/D转换器，液晶显示采用3 1/2液晶显示片。该电子秤精度高，简单实用，携带方便。

称重传感器是一种高精度的传感器，必须按规定的规格使用。若不按规定的规格使用，不仅不能发挥称重的作用，而且容易损坏，尤其是绝对不准超过负荷安全值使用。

图6 手提秤的电路框图

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。

滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

在露天下使用传感器，还应考虑阳光直射产生的温度影响和风压的影响。(end)