在近二十年里,不斷的有高新技術(shù)應(yīng)用于稱重傳感器的研發(fā)和制造,使得傳 感器技術(shù)迅猛發(fā)展,種類和樣式越來(lái)越多。而相對(duì)于稱重傳感器的發(fā)展,對(duì)稱重 傳感器的檢測(cè)技術(shù)和手段就相對(duì)滯后,稱重傳感器的不同種類和工作原理也給其 檢測(cè)工作帶來(lái)了很大的困難。 在應(yīng)變式稱重傳感器出現(xiàn)的初期,根本沒(méi)有檢測(cè)稱重傳感器的理念和方法, 隨著稱重傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性越來(lái)越好,對(duì)傳感器的使用也提出了一定的要求,產(chǎn)生了檢測(cè)稱重傳感器性能的原理和方法,就是使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼串聯(lián)到傳感器 上,利用砝碼的重力使傳感器產(chǎn)生應(yīng)變提供受力值,用比較法判斷稱重傳感器的 準(zhǔn)確度,可歸納為量值傳遞方法。
這一基本原理和方法至今仍然是檢測(cè)稱重傳 感器的主要思路和措施。 隨著稱重傳感器量程的不斷增大,砝碼由于體積大、搬運(yùn)不便等缺點(diǎn),采用 砝碼作為力源的方法很難滿足大量程稱重傳感器的檢測(cè)要求,因而出現(xiàn)了采用拉/ 壓力機(jī)對(duì)傳感器施加壓力,由于壓力機(jī)輸出的力值精確度很差,只能尋找一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被檢傳感器連接,比對(duì)兩者的輸出值,這種方法稱為比對(duì)式力標(biāo)準(zhǔn) 機(jī)法,與采用砝碼的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)法并稱為稱重傳感器的靜態(tài)檢測(cè)法。 靜態(tài)檢測(cè)法的缺點(diǎn)是力值很難穩(wěn)定或穩(wěn)定需要很長(zhǎng)時(shí)間,檢測(cè)時(shí)很大程度上 影響檢測(cè)準(zhǔn)確度,隨著電子技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化程度的提高,出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)檢測(cè)法 克服了靜態(tài)檢測(cè)法的一些缺點(diǎn),這種方法是在連續(xù)加載過(guò)程中連續(xù)采樣,可以 對(duì)力值變化的曲線進(jìn)行對(duì)比,更加科學(xué)合理。
但這種方法對(duì)傳感器和儀表的要求 較高,而且目前沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)規(guī)程或規(guī)范。 目前對(duì)稱重傳感器的檢測(cè)主要都集中于上述幾種方法,但是具體應(yīng)用上有了較大的提高,出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化檢測(cè)和監(jiān)控。稱重傳感器的網(wǎng)絡(luò)化是傳感器領(lǐng)域近 些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù),它利用 TCP/IP 協(xié)議使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)就近通過(guò)網(wǎng) 絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)上有通信能力的節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí) 時(shí)發(fā)布和共享。由 于傳感器自動(dòng)化、智能化水平的提高,多臺(tái)傳感器聯(lián)網(wǎng)已推廣應(yīng)用,虛擬儀器、 三維多媒體等新技術(shù)已開(kāi)始實(shí)用化。傳感器網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)就是采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議,同時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)將稱重傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)信息 交流和技術(shù)維護(hù)。 稱重傳感器是一種測(cè)力系統(tǒng),其主要原理是通過(guò)力-電轉(zhuǎn)換,將非電量轉(zhuǎn)換為 電量,將電量傳輸出去形成電子信號(hào)。稱重傳感器按其工作原理可以分為電阻應(yīng) 變式、電感式、電容式、壓電式、壓磁式、振弦式等。按照稱重傳感器的結(jié)構(gòu) 形式可以分為柱式、懸臂梁式、剪切梁式、輪輻式、圓環(huán)式、箱式等等。
1.柱式稱重傳感器由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變計(jì)兩部分組成,彈性敏感元件將 被測(cè)物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為彈性體的應(yīng)變值,然后電阻應(yīng)變計(jì)將彈性體的應(yīng)變值轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娮柚档淖兓?,彈性敏感元件和電阻?yīng)變計(jì)以適當(dāng)?shù)姆绞浇M成電橋,最終將 被測(cè)物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為電信號(hào),由稱重儀表接收信號(hào)并顯示為質(zhì)量值。
2.電容式稱重傳感器是將被測(cè)物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為電容變化,作為電信號(hào)輸 出。它一般由一個(gè)對(duì)位移敏感的電容式傳感器和一只應(yīng)變彈性體組成,與柱式電 阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理相似,彈性應(yīng)變體將被測(cè)物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為彈性體的 應(yīng)變值,然后電容式傳感器將彈性體的應(yīng)變值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葜档淖兓?,最后電容?化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出,由稱重儀表接收并轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量顯示。 電阻、形變、物理應(yīng)變式稱重傳感器和電容式稱重傳感器的區(qū)別在于電容式 稱重傳感器的電容變化更加迅速,對(duì)彈性體的變化更加敏感,但是電容式傳感器 交易損壞且不易維修和維護(hù)。
3.磁彈性式稱重傳感器。一均質(zhì)的磁導(dǎo)體在其本身不帶電壓的情況下,其磁導(dǎo) 率與方向無(wú)關(guān),磁導(dǎo)體變形,磁導(dǎo)率將有方向性。對(duì)稱重傳感器施加載荷,將使 發(fā)射線圈磁場(chǎng)產(chǎn)生很大的變化,繼而產(chǎn)生以九十度旋轉(zhuǎn)配置的接收線圈磁耦合變 化。 磁彈性效應(yīng)不可能是線性的,而在稱重傳感器上的應(yīng)用要求卻是必須線性化, 要解決這一問(wèn)題,人們提出來(lái)的方法是將兩個(gè)彈性元件成列配置,在一個(gè)彈性 體受拉的同時(shí),另一個(gè)彈性體受壓。磁彈性式稱重傳感器的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)阻小、信號(hào) 電壓較高,且結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固、抗干擾性強(qiáng),所以常被用在特殊的環(huán)境中,如陰 冷、電干擾環(huán)境等,目前,磁彈性式稱重傳感器常用于電子衡器和測(cè)力系統(tǒng)中。
4.液壓式稱重傳感器。液壓式稱重傳感器的工作原理是利用壓力傳感器的較小面和負(fù)荷活塞的較大薄膜面進(jìn)行力的傳遞。它的工作方式一般有兩種,第一種是 壓力厚膜技術(shù),這是一種集電子材料、多層布線技術(shù)、表面微組裝及平面集成技 術(shù)于一體的微電子技術(shù),壓力厚膜材料是有機(jī)介質(zhì)摻人微細(xì)金屬粉、玻璃粉或陶 瓷粉末的混合物,通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝,印制到絕緣基板上。另一種工作方式是利 用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計(jì)技術(shù),這是一種以壓阻效應(yīng)作為理論基礎(chǔ)的,其敏感柵由鍺 或硅等半導(dǎo)體材料制成的應(yīng)變計(jì)。上述兩種方法都是以不泄露的液壓傳動(dòng),也 可采用高粘性材料和彈性材料代替液體,但不論使用何種材料都不夠精準(zhǔn),相比 使用金屬?gòu)椥詰?yīng)變計(jì)的技術(shù),其精密度水平較低,只能滿足 D 級(jí)的精密度要求, 通常用于比較危險(xiǎn)的環(huán)境中。
5.光柵式稱重傳感器。這種稱重傳感器是利用光柵遮擋原理測(cè)量位移,一般用 于長(zhǎng)度方面的測(cè)量,作為稱重傳感器則很少使用。光柵是一組刻線,一般刻在一 塊形狀規(guī)則的光學(xué)玻璃上,要求間距相等,相互平行,當(dāng)然還有越密越好,刻線 密度最少應(yīng)達(dá)到 10 線/毫米。由光柵形成的遮擋位置具有光學(xué)放大作用,同時(shí)能 平均誤差,能大大增加測(cè)量的精密度。標(biāo)尺光柵與指示光柵不能同時(shí)移動(dòng)或 不能有相同的移動(dòng)速度,它們之間的相對(duì)移動(dòng)便會(huì)形成疊柵條紋。這些疊柵條紋 也有移動(dòng)速度,其速度等于標(biāo)尺光柵與指示光柵之間的相對(duì)移動(dòng)速度。這一速度 會(huì)在它們的輸出端產(chǎn)生一系列的電脈沖,通過(guò)放大、濾波、辨別和統(tǒng)計(jì)行程方便 接收的數(shù)字信號(hào)輸出,直接數(shù)字化顯示出被測(cè)的距離。“傳感器的光路形式有兩 種:一種是透射式光柵,它的柵線刻在透明材料(如工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等) 上;另一種是反射式光柵,它的柵線刻在具有強(qiáng)反射的金屬(不銹鋼)或玻璃鍍 金屬膜(鋁膜)上。光柵式稱重傳感器的優(yōu)點(diǎn)是量程大和精密度高,可用于動(dòng)態(tài) 測(cè)量,并且也能保持很高的精密度,但是生產(chǎn)成本較高,應(yīng)用的范圍較窄。此外,還有感應(yīng)螺旋彈簧式稱重傳感器、壓阻式力接收器等種類的稱重傳感器,這里就不一一介紹了。