称重传感器的工作原理

质量是七个基本物理量之一。在实际应用中，质量通常以物体重量的形式体现。重量是由于物体的质量而作用在物体上的重力。

如何测量物体的重量？它是通过感应它在重力影响下施加的压力来完成的。通过感测施加的压力来测量重量的装置称为称重传感器。应变片称重传感器非常普遍，直接与微控制器和微型计算机连接。在本文中，我们将讨论不同类型的称重传感器和仪表称重传感器。

称重传感器传感器将压力或机械力转换为可测量的电信号。称重传感器有多种变体，其尺寸、形状和工作原理各不相同。称重传感器通常用于家庭和工业应用。称重传感器在国内的一些应用包括个人称重机、厨房秤、浴室秤、托盘秤和行李称重机。称重传感器的一些工业应用包括岩土工程设备、医疗设备、皮带秤、料斗秤、轨道秤和车载称重机。

称重传感器的尺寸、形状、应用和工作原理有很大差异。对称重传感器进行分类的最简单方法是按工作原理分类。基于此，几乎所有称重传感器都属于以下三个类别之一。

1. 液压称重传感器

2. 气动称重传感器

3. 应变计称重传感器

液压称重传感器通过感测施加到流体上的推力来测量机械力。它们具有典型的活塞和气缸设置，其中流体储存在两个活塞之间。其中一个活塞是固定不动的。另一个活塞可在压力或推力的作用下移动。活塞的运动会导致布尔登管内的压力发生变化，压力表会检测到这一变化。这些类型的称重传感器通常是模拟的。

气动称重传感器通过感测空气或气体压力来测量机械力。它具有类似的圆柱形设置，其中气缸充满空气或气体，并且可移动的活塞放置在称重传感器的顶部。当压力施加在活塞上时，气缸内的气压发生变化，导致空气从气缸底部的喷嘴中逸出。逸出的空气/气体施加的压力由称重传感器内的压力表测量。

     

应变计称重传感器通过感测称重传感器内的一个或多个应变计的变形来测量机械力。应变式称重传感器是最常见的称重传感器类型。它们有多种形状和配置。例如，棒型称重传感器有四个应变片；两个放置在酒吧的两端。称重传感器以 Z 形排列在称重秤上的两个平台之间。当一些重物放在杆（顶部平台）上时，称重传感器会由于施加的力而弯曲。杆中的两个应变计测量张力，两个测量压缩以检测由此产生的弯曲变形。杆式称重传感器也称为弯曲梁式称重传感器。

四个称重传感器以惠斯通电桥形式排列，以在典型称重机中实现最大灵敏度。

应变片称重传感器有多种形状和设置。以下是一些常用类型（基于形状）及其设置。

杆式称重传感器：这些也称为弯曲梁称重传感器。称重传感器是一根直杆，杆的两端都有孔。这些孔用于固定螺钉，以形成具有两个平台的 Z 形结构。一个平台保持固定不动，而另一个平台可以向下弯曲并在其上放置重量。上图显示了杆式称重传感器的示例。

杆式称重传感器可以有一个应变片或多个应变片。在单个应变片称重传感器中，只有一个应变片存在于杆的两端之间。在施加机械力时，应变片会根据其设置承受拉力或压力。张力或压缩改变了应变片的电阻值，由放大器电路检测到。单个应变片式称重传感器只有三根线，其中两根线用于激励（电源电压和接地），第三根线用于模拟输出。

带有多个应变片的杆式称重传感器更为常见。这些称重传感器通常有四个以惠斯通结构连接的应变计。杆的两端有两个应变片。两端的一对应变片在相等和相反的方向上测量张力和压缩——四个应变片充当压力相关的可变电阻器。当重物放置在称重传感器的加载点时，它会发生弯曲变形。对于满量程负载能力，弯曲变形通常在 0.1mm 到 1mm 之间。

由于弯曲变形，应变片对在两端受到拉伸和压缩，如下图所示。

应变片沿杆放置，它们可以在杆的弯曲变形上承受最大应变。在内部，应变计排列成惠斯通结构，如下图所示。

张力下的应变片变得更薄和更长。结果，它的阻力增加了。受压的应变片会变厚变短。结果，它的阻力降低了。在正常情况下，所有应变片的阻值相同，惠斯通电桥输出端的电压差为零。当重量放在传感器上时，应变片 R1 和 R3 会受到拉力，导致电阻增加，而应变片 R2 和 R4 会受到压缩，导致电阻降低。这会在惠斯通电桥的输出端产生不同的电压。输出电压在 mV 范围内并传递到放大器电路。

惠斯通棒式称重传感器至少带有四根电线。应变片的激励有两条线，即电源电压和地线。另外两条线测量惠斯通电桥的差分电压。

杆式称重传感器可以是单点、单端剪切梁、双端剪切梁或钢丝绳称重传感器。

S 型称重传感器：这些称重传感器用于测量悬挂重量。称重传感器呈 S 形，两端有孔，用于固定悬挂螺栓或杆端。当称重传感器悬挂重物时，两端的应变计都会受到拉力。如果重物放在称重传感器上，两端的应变计都会受到压缩。拉杆式称重传感器也以相同的原理工作。

单应变计称重传感器：这些称重传感器由单个应变计组成。应变计会根据其设置承受拉力或压力。在拉伸或压缩下，其输出电阻发生变化，由放大电路检测到。这些称重传感器可用作称重按钮、平面称重传感器和负载销。通常，四个这样的称重传感器以相等的距离放置在平台下方以测量重量。

罐式称重传感器：罐式称重传感器类似于圆盘式称重传感器。这些称重传感器用于大容量测量，如汽车衡、铁路车辆称重、料斗秤和农业秤。这些称重传感器设计用于仅测量压力。

扭矩称重传感器：这些称重传感器用于测量扭矩力。扭矩是作用在物体上使其旋转的力。下图显示了扭矩称重传感器的示例。

无论是单应变式称重传感器还是惠斯通称重传感器，称重传感器的输出电压都表示为激励电压。这是作为满载容量的 mV/V 规范提供的。例如，称重传感器的输出电压在规格表中指定为 4mV/V。如果励磁电压为10V，满载时，称重传感器的输出电压为40mV。下式给出了称重传感器的输出电压 –

V输出= V激励* Z mV/V

其中，Z 是 mV/V 规格。

重量测量是使用称重传感器完成的，称重传感器具有各种形状、尺寸、用例和工作原理，适用于各种应用。这些称重传感器可以是单个应变计或惠斯通称重传感器。根据其形状和设置，应变式称重传感器可以是弯曲梁称重传感器、按钮/圆盘型、S 型、扭矩称重传感器或罐式称重传感器。甚至单个应变计称重传感器也经常用于惠斯通配置以获得最大灵敏度。