如何正確選用小量程稱重傳感器

 

　　一、前言

 

　　近年來(lái)，隨著市場(chǎng)對(duì)廚房秤、人體秤、郵資秤、手掌秤等產(chǎn)品需求的急劇增加，相應(yīng)地促進(jìn)了小量程稱重傳感器的產(chǎn)量及質(zhì)量的大幅度提高，僅我公司一家的年產(chǎn)量就達(dá)到150萬(wàn)只以上。我們?cè)谑酆蠓^(guò)程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別客戶因?qū)鞲衅鞯男阅芰私獾牟粔蛎?，在秤體、電路設(shè)計(jì)及在傳感器安裝過(guò)程中未注意細(xì)節(jié)，導(dǎo)致傳感器受損，直接影響到電子秤整杋性能，并造成不必要的損失。為了使眾多客戶能夠結(jié)合整機(jī)性能恰當(dāng)?shù)剡x取傳感器，在保證整機(jī)性能的基礎(chǔ)上降低成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力結(jié)合我公司多年的制作經(jīng)驗(yàn)及售后服務(wù)情況，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹小量程稱重傳感器（主要以雙孔平行梁結(jié)構(gòu)為例）的一些常用性能參數(shù)的選擇方法和使用注意事項(xiàng)，供用戶了解、選用、同行商榷，不妥之處，歡迎指教。
 

　　二、傳感器的一般性能指標(biāo)簡(jiǎn)介、參數(shù)選用、安裝與使用注意事項(xiàng)

 

　　1.量程（額定載荷）

 

　　適當(dāng)?shù)剡x取傳感器的量程，有利于提高整機(jī)的性能。通常按下式進(jìn)行選擇：

 

　　W=（G+G0）/0.8

 

　　式中，W為傳感器的量程

 

　　G為電子秤的最大秤量

 

　　G0為電子秤的托盤重量

 

　　0.8為安全系數(shù)

 

　　例如：對(duì)于最大稱量為5Kg的電子秤，若托盤重量為0.5Kg，那么就應(yīng)選擇量程為7Kg左右的傳感器（通常，最大稱量為3Kg~6Kg，電子秤的托盤重量應(yīng)小于0.5K，15Kg電子秤的托盤重量應(yīng)小于3.5Kg）。

 

　　部分用戶直接將傳感器的量程選擇為秤的最大稱量值，此辦法對(duì)于10g以上量程的電子秤而言是沒(méi)有問(wèn)題的，但對(duì)于10Kg以下量程則應(yīng)留出余量。如果電子秤（小量程）在超載限位方面設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致在安裝、調(diào)試或客戶使用過(guò)程中，因傳感器超載變形而無(wú)法開(kāi)機(jī)。在對(duì)傳感器的四角偏載誤差進(jìn)行修正時(shí)，如果用戶技術(shù)指標(biāo)中無(wú)特別強(qiáng)調(diào)標(biāo)定載荷，參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我們是使用傳感器標(biāo)稱值的三分之一載荷進(jìn)行標(biāo)定，所以未考慮托盤重量。如果沒(méi)有考處這方面的因素，那么選擇的傳感器可能會(huì)使整機(jī)四角偏載誤差偏大。

 

　　2.電阻值

 

　　目前我公司生產(chǎn)的傳感器電阻值主要有350Ω和1000Ω兩種。電阻值為1000Ω的應(yīng)變計(jì)采用的材料是卡瑪箔，通常使用56Ω左右的彈性模量補(bǔ)償片進(jìn)行補(bǔ)償，因此該類傳感器的輸入電阻值通常為1050±10Ω，輸出電阻值1000±5Ω。而對(duì)于電阻值為應(yīng)變計(jì)來(lái)說(shuō)，通常使用的材料是康銅箔，需45Ω左右的彈性模量補(bǔ)償片對(duì)額定輸出溫度漂移性能進(jìn)行補(bǔ)償，那么該類傳感器的輸入電阻值通常為400±10Ω，輸出電阻值為350±5Ω。

 

　　電阻值的大小選用要根據(jù)以下因素選擇：（1）傳感器的體積大??；（2）供電方式；（3）傳感器的結(jié)構(gòu)；（4）傳感器的主體（彈性體）材料等。

 

　　時(shí)于350Ω的應(yīng)變計(jì)來(lái)說(shuō)，由于電阻值較小，耗電量大，通電后應(yīng)變計(jì)自熱引起的溫升較高。對(duì)于類似手掌秤用傳感器，由于傳感器體積小、敏感區(qū)域厚度太?。ㄎ覀兡壳爸谱鞯牧砍虨?0g傳感器的敏感區(qū)厚度僅為0.4mm左右），應(yīng)變計(jì)的散熱條件較差，造成傳感器的零點(diǎn)溫度漂移、額定輸岀溫度漂移變化較大的現(xiàn)象尤其突岀，而且不易控制，個(gè)別嚴(yán)重的傳感器，在開(kāi)機(jī)后零點(diǎn)輸岀跟蹤無(wú)法去除，從而影響整機(jī)稱量精度。因此，般量程小于2Kg、截面較小、主要以干電池供電的傳感器的電阻值一般不選用350Ω，而選用1000Ω。

 

　　我公司目前生產(chǎn)的小量程稱重傳感器，多數(shù)的電阻值為1000Ω，結(jié)構(gòu)基本為雙孔平行梁，量程在20g至幾十公斤之間。當(dāng)然也有電阻值為350Ω的，只不過(guò)傳感器的截面尺寸略大，應(yīng)變計(jì)外形尺寸大，量程要大一些。同時(shí)我們還推出了大阻值傳感器，如：2000Ω、3000Ω，當(dāng)然，電阻值越大，傳感器的制作成本也相應(yīng)增大。

 

　　3.輸出靈敏度

 

　　輸出靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诔惺茴~定載荷時(shí)，每輸入1伏電壓傳感器的輸出值（通常用mV/V表示。

 

　　由于應(yīng)變式傳感器的靈敏度受應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)、彈性體材料應(yīng)變能力（極限）和機(jī)械加工等因素的限制，通常設(shè)計(jì)為以下系列：2.0、1.8、1.5、1.2、1.0、0.5、0.4mV/V。以下傳感器的靈敏度一般選用0.5mV/V左右；量程在0.5kg~2kg之間的傳感器靈敏度一般選用1.0mV/V于2Kg的傳感器一般靈敏度在1.2mV/V之間。

 

　　一般客戶希望小量程稱重傳感器的靈敏度大一些，這樣可以減小電路的負(fù)擔(dān)，但這往往造成傳感器制作上的困難。因?yàn)殪`敏度越大，相應(yīng)的傳感器敏感區(qū)的厚度尺寸就要薄一些，而厚度尺寸有其一定的限度，它與傳感器的各種精度息息相關(guān)，否則無(wú)法制作成期望精度的傳感器。在實(shí)際制作上，一般傳感器敏感區(qū)的厚度尺寸若小于0.5mm，在機(jī)械加工時(shí)，極易造成局部嚴(yán)重變形，增加機(jī)械加工成本并降低傳感器的可靠性與穩(wěn)定性。

 

　　同時(shí)，若要制作0.02級(jí)傳感器，一次合格率將下降，使傳感器的整體成本升高。解決類問(wèn)題的辦法有：改變傳感器（彈性體）的外形尺寸或降低傳感器的輸出靈敏度，通提高放大電路的增益來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

 

　　靈敏度的公差范圍一般為±10%F.S.~±20%F.S.，就可以滿足使用要求。雖然過(guò)靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化的方法，可以將傳感器的靈敏度控制在±0.1%F.S.之內(nèi)，但這將會(huì)增加傳感器的制作成本。多數(shù)用戶通常還是用表中增加標(biāo)定功能的方法來(lái)滿足使用要求。

 

　　4.零點(diǎn)輸出

 

　　多數(shù)人會(huì)認(rèn)為傳感器的零點(diǎn)輸出越低，使用起來(lái)就越方便，甚至認(rèn)為該性能指標(biāo)是高質(zhì)量傳感器的一種標(biāo)志，其實(shí)這種觀點(diǎn)有一定的道理，但并不全面。在早期的電路中是通過(guò)調(diào)整放大器輸入端的可調(diào)電阻來(lái)進(jìn)行匹配，由于該方法的穩(wěn)定性較差，必須要求零點(diǎn)輸出越小越好。隨著硬件和軟件的發(fā)展，將可調(diào)電阻更改為固定電阻，通過(guò)軟件就可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)清零，因而零點(diǎn)輸岀就不必控制在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)。但是由于受到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的限制，零點(diǎn)輸出和滿度輸出的疊加值不能超出模數(shù)轉(zhuǎn)換器的調(diào)整范圍，零點(diǎn)輸出也不能不加限制。因此，應(yīng)主要依據(jù)以上因素綜合確定零點(diǎn)輸出范圍般零點(diǎn)輸出選用在±0.3m/V左右比較合適，對(duì)于準(zhǔn)確度高的傳感器基本上選用2%F左右，而準(zhǔn)確度越高，傳感器制作成本也會(huì)隨之增加。也可依各類儀表的調(diào)整范圍具體而定，沒(méi)有定規(guī)。零點(diǎn)輸出選擇要以合理、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定為原則。

 

　　5.零點(diǎn)輸出溫度漂移、額定輸出溫度漂移

 

　　這兩項(xiàng)指標(biāo)為傳感器的溫度性需根據(jù)傳感器的具體使用環(huán)境溫度變化情況、衡器的準(zhǔn)確度，以及儀表的溫度性能而定。

 

　　對(duì)于零點(diǎn)溫度漂移，由于大多數(shù)電子秤在實(shí)際使用過(guò)程中，環(huán)境溫度變化較慢、開(kāi)機(jī)時(shí)間較短，同時(shí)每次開(kāi)機(jī)的零點(diǎn)輸出均可自動(dòng)跟蹤并清除我們應(yīng)根據(jù)秤的準(zhǔn)確度，同時(shí)考慮傳感器的補(bǔ)償成本，最終選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償準(zhǔn)確度。傳感器綜合準(zhǔn)確度在0.5%F.S左右，該性能通常為0.1%F.S/10℃；綜合準(zhǔn)確±0.1%F.S/10℃；對(duì)于準(zhǔn)確度較低或使用環(huán)境較好（如醫(yī)用嬰兒秤等）則不需要對(duì)該項(xiàng)性能進(jìn)行補(bǔ)償，準(zhǔn)確度為±0.3~0.8‰F.S/10℃。

 

　　額定輸出溫度漂移是由于彈性體材料的彈性模量隨溫度變化而變化，從而導(dǎo)致傳感的輸出靈敏度隨溫度變化。該性能屬系統(tǒng)誤差，當(dāng)彈性體材料、傳感器結(jié)構(gòu)、應(yīng)變計(jì)及制作工藝一定時(shí)，只需在傳感器的輸入端串接電阻溫度系數(shù)較大的補(bǔ)償電阻進(jìn)行補(bǔ)便可以較容易地控制在一定范圍。我公司目前對(duì)一般準(zhǔn)確度傳感器的額定輸岀溫度漂移℃范圍內(nèi)。若需再提高準(zhǔn)確度，則可采用線性化補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ从脺囟妊a(bǔ)償片與固定電阻合理并聯(lián)，將額定輸出溫度漂移調(diào)整為±0.016%。前一種比較經(jīng)濟(jì)，適于非標(biāo)準(zhǔn)的0.02‰.S準(zhǔn)確庋的傳感器，而且目前絕大部分小量程采用這種方式進(jìn)行補(bǔ)償。

 

　　6.四角偏載誤差

 

　　對(duì)于一般準(zhǔn)確度傳感器的四角偏載誤差修正，傳感器制造商基本上采用與客戶的實(shí)秤盤大小相同的工裝進(jìn)行修正，客戶只需將傳感器與儀表配套安裝，基本可以達(dá)到使用準(zhǔn)確度。由于傳感器在重新安裝后，四角偏載誤差會(huì)發(fā)生變化，所以對(duì)于準(zhǔn)確度較高的電子秤，還需要客戶在傳感器安裝后，再次進(jìn)行適量的銼修調(diào)整。因此，在秤體設(shè)時(shí)，應(yīng)注意預(yù)留偏載誤差調(diào)修空間。

 

　　影響四角偏載誤差的主要因素有：（1）傳感器的量程是否選擇恰當(dāng)；（2）安裝力矩大小；（3）秤體底盤的剛性；（4）秤盤大小等。

 

　　在實(shí)際修正時(shí)，一般在正常激勵(lì)電壓下，按滿量程的1/3重量加載進(jìn)行修正，銼修應(yīng)上下均勻，以免局部銼修量太大而導(dǎo)致應(yīng)力集中而景傳感器的零點(diǎn)輸出性能。

 

　　7.傳感器的安裝使用

 

　　在返廠的傳感器中，及在用戶生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，我們發(fā)現(xiàn)有較多故障是因用戶使用或安裝不當(dāng)而引起傳感器報(bào)廢，為雙方帶來(lái)不必要的損失。具體表現(xiàn)為（依數(shù)量多少排序）：傳感器嚴(yán)重變形，安裝螺紋孔損壞，零點(diǎn)輸出超差，傳感器斷線、掉線等。具體分析如下：

 

　　1）傳感器嚴(yán)重變形：一般因安裝工裝設(shè)計(jì)不合理、工裝使用不當(dāng)、安裝工具力矩過(guò)大、螺紋孔底徑小、螺釘質(zhì)量差等原因造成。也有部分原因是由于過(guò)載保護(hù)裝置不合理，傳感器在安裝、調(diào)試過(guò)程中或成品秤的包裝固定方法欠佳，在運(yùn)輸和跌落試驗(yàn)中傳感器受到超過(guò)幾倍量程的載荷或沖擊而損壞。如果進(jìn)行認(rèn)真整改肯定有較大改觀，我們通過(guò)對(duì)客戶的走訪及現(xiàn)場(chǎng)糾正，已經(jīng)收到很好效果。

 

　　2）裝螺紋孔損壞：原因有操作不當(dāng)、工裝不合理、螺紋孔內(nèi)有雜物、螺釘質(zhì)量差、多次安裝等。

 

　　3）零點(diǎn)輸出超差：補(bǔ)償絲在安裝或運(yùn)輸過(guò)程中受擠壓、安裝工裝設(shè)計(jì)不合理、使用工具力矩過(guò)大、傳感器制造工藝不完善、傳感器變形、傳感器受到嚴(yán)重超載或沖擊、使用環(huán)境差〔酸、堿、潮濕）、傳感器穩(wěn)定性差等。

 

　　4）傳感器斷線、掉線：在傳感器包裝、安裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中造成。使用傳感器時(shí)應(yīng)做到輕拿輕放、仔細(xì)安裝，同時(shí)應(yīng)規(guī)范裝配現(xiàn)場(chǎng)，避免半成品亂堆亂放。

 

　　以上不良品表現(xiàn)其實(shí)有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，只要供需雙方在定貨前認(rèn)真進(jìn)行協(xié)商，對(duì)可能出的問(wèn)題提前進(jìn)行預(yù)防，并正確進(jìn)行安裝和使用，可大大減少傳感器在使用過(guò)程中的利因素，消除衡器廠家在生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中產(chǎn)生故障的可能性

 

　　三、結(jié)束語(yǔ)

 

　　本文著重介紹了小量程稱重傳感器在選用及制作上，需要確定的一些基本性能指或參數(shù)，及在使用和安裝中應(yīng)注意的問(wèn)題，對(duì)于正確選用及制作小量程稱重傳感器提供考。因筆者水平有限，文章某些方面可能與同行意見(jiàn)相左，敬請(qǐng)各位賜教。

 

　　文章來(lái)源：中國(guó)衡器網(wǎng)

 

　　文章作者：鄭愷 劉建群