淺談地磅與地磅傳感器及其補(bǔ)償問題

地磅是主要用于確定物體質(zhì)量的一種計(jì)量儀器，隨著科技的進(jìn)步和實(shí)際使用的要求不斷提升，地磅已經(jīng)由原始的機(jī)械地磅發(fā)展到了電子地磅，傳感器也已經(jīng)成為電子地磅的核心部件。本文主要討論地磅的原理，地磅傳感器的種類及其補(bǔ)償問題。

地磅是質(zhì)量計(jì)量儀器的簡稱，也就是主要用于確定物體質(zhì)量的一種計(jì)量儀器。國際法制計(jì)量組織（OIML）1992 年公布的地磅定義為：“利用作用于物體上的重力來確定該物體質(zhì)量的計(jì)量儀器（該地磅也可用來確定作為質(zhì)量函數(shù)的其他量值、數(shù)值、參數(shù)或特征）稱之為衡量儀器”。地磅廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研和醫(yī)療衛(wèi)生等部門。

若干世紀(jì)以來，人們總是應(yīng)用杠桿原理制作各式各樣的機(jī)械地磅，技術(shù)上并沒有大的突破。在二十世紀(jì)五十年代以后，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械地磅越來越不能滿足生產(chǎn)自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化的需求，因此迫切需要研究新的稱重技術(shù)，用于解決生產(chǎn)和貿(mào)易中的自動(dòng)、快速、連續(xù)稱重的問題.

這些問題單靠純機(jī)械地磅是很難解決的，只有通過電氣或電子的手段才能滿足。于是，電子技術(shù)逐漸滲入到地磅制造業(yè),電子地磅也就應(yīng)運(yùn)而生。

電子地磅是配有電子秤量裝置的地磅，主要有由稱重傳感器、承載器（俗稱稱架）稱重儀表三部分組成。電子地磅的工作原理是將作用在承載器上的質(zhì)量或力的大小，通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換為與之成正比的電信號(hào)，并且以模擬或數(shù)字量的形式在稱重儀表上顯示出來。

電阻應(yīng)變式稱重傳感器因制作簡單、工藝成熟、準(zhǔn)確度高（最高準(zhǔn)確度目前可做到非線性、重復(fù)性、滯后指標(biāo)優(yōu)于0.01%），占據(jù)著稱重傳感器 90%以上的市場份額。電阻應(yīng)變式稱重傳感器用于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)條件下質(zhì)量或力的測量，在工業(yè)生產(chǎn)過程檢測、控制、自動(dòng)稱量等領(lǐng)域以大量應(yīng)用隨著工業(yè)控制系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展，近幾年來數(shù)字式稱重傳感器被開發(fā)并已經(jīng)得到應(yīng)用。由于其能夠直接輸出數(shù)字量，大大提高了傳輸中的抗干擾能力，并使得計(jì)算機(jī)的通信極為方便。由于取消了儀表中的模擬放大、A/D 轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，使儀表大為簡化。

振弦式稱重傳感器的特點(diǎn)如下：重復(fù)性、線性為滿刻度的 0.01%，穩(wěn)定性為 0.03%，與電阻應(yīng)變式稱重傳感器的指標(biāo)大體相當(dāng)；微小的被測力變化可發(fā)生較大的頻率變化，分辨率高達(dá)百萬分之一，靈敏度高；直接數(shù)字稱重，被處理的信號(hào)及輸出信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，處理過程無 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換,運(yùn)算精度高；抗電氣干擾、抗振動(dòng)干擾能力強(qiáng)；傳感器內(nèi)裝有溫度傳感器，溫度補(bǔ)償靈敏度可達(dá)0.0001%/℃；非位移式測量原理，測量過程幾乎無位移發(fā)生，不影響秤架的校準(zhǔn)狀態(tài)；有動(dòng)態(tài)過載保護(hù)裝置；最多 15 臺(tái)傳感器可在同一根串行總線上傳遞信號(hào)，最大傳送距離為 500m。因此這種稱重傳感器是未來傳感器發(fā)展的一個(gè)方向。

1.零位補(bǔ)償

盡管電阻應(yīng)變片經(jīng)過精心挑選，使其阻值相等。但絕對(duì)一致是不可能的，及時(shí)挑選出相應(yīng)的阻值相等的應(yīng)變片，經(jīng)過貼片過程，阻值也會(huì)發(fā)生變化，所以橋路不平衡是絕對(duì)的。

為此，使傳感器在不承重時(shí)輸出等于零而進(jìn)行的調(diào)整，叫零點(diǎn)補(bǔ)償。消除初始橋路不平衡的方法有：串聯(lián)法、并聯(lián)法和外加電壓法。

2.溫度補(bǔ)償

理論討論與實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)通常都是以室溫恒定為前提的，即使變化范圍也不大，但實(shí)際使用時(shí)其各項(xiàng)參數(shù)受環(huán)境溫度和被測試件溫度影響很大。這種單純由溫度變化而引起的變化現(xiàn)象，稱為溫度效應(yīng)。產(chǎn)生溫度效應(yīng)的因素有兩個(gè)：一是電阻具有一定的溫度系數(shù)；二是電阻材料與被測材料線膨脹系數(shù)不同。因此常溫下，溫度效應(yīng)主要是溫度變化對(duì)傳感器參數(shù)的影響。這就需要對(duì)傳感器進(jìn)行進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償主要是指零位漂移補(bǔ)償和靈敏度的溫度補(bǔ)償。

（1） 零位漂移補(bǔ)償

傳感器在不受力時(shí)的輸出，隨溫度變化而發(fā)生變化，叫做零位溫度漂移。引起零位溫度漂移的原因很多，例如：電阻應(yīng)變片溫度系數(shù)不一致，電阻應(yīng)變片膠基厚度和固化程度不一致，引線長度不同，寄生熱電勢(shì)的產(chǎn)生，彈性元件與外殼熱膨脹（收縮）不一致，彈性元件縱橫向膨脹系數(shù)不同彈性元件曲率的影響，大氣壓力的波動(dòng)等等。

（2）靈敏度的溫度補(bǔ)償

傳感器的靈敏度與電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)、彈性體的彈性模量、彈性體的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)系。當(dāng)溫度變化時(shí)，這些參數(shù)都會(huì)有所變化。所以，傳感器不在恒溫條件下工作而又要求有較高的精度時(shí)，就必須對(duì)靈敏度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的方法是在拱橋電路中串聯(lián)適當(dāng)?shù)你~電阻。

3.非線性補(bǔ)償

嚴(yán)格來說，外加載荷和傳感器的輸出并不完全成線性關(guān)系，而是一個(gè)拋物線關(guān)系，所以存在非線性問題。產(chǎn)生的原因主要是電橋的非線性、彈性體受壓后橫截面增大、應(yīng)變遷的非線性、彈性體本身的非線性以及模數(shù)補(bǔ)償電阻等非線性造成的。補(bǔ)償辦法可以在輸入端接入一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片；或利用鎳作模數(shù)補(bǔ)償電阻兼作非線性的盒狀膜片，同時(shí)用作非線性和側(cè)向力補(bǔ)償。

4..側(cè)向力補(bǔ)償

由于外力不可能嚴(yán)格作用在規(guī)定軸線上，總是要伴隨出現(xiàn)側(cè)向力的干擾因素。假若在此側(cè)向力作用下，傳感器的工作段軸向?qū)ΨQ點(diǎn)引起的彎曲變形的代數(shù)和不為零，則此側(cè)向力作用下，傳感器的測量結(jié)果，為此必須進(jìn)行修正。解決辦法主要是在結(jié)構(gòu)中采用雙膜片結(jié)構(gòu)、單膜片結(jié)構(gòu)、滾珠結(jié)構(gòu)、三鏈板式對(duì)中結(jié)構(gòu)。也有的干脆更換結(jié)構(gòu)，采用改進(jìn)后的梁式傳感器及 S 型傳感器。

5.輸出標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償

由于應(yīng)變片黏貼位置不準(zhǔn)，應(yīng)變片系數(shù)及彈性體尺寸公差，補(bǔ)償電阻等的影響，同一型號(hào)和量程的傳感器的實(shí)際靈敏度就不盡相同，這給傳感器的互換性和配用儀器帶來了麻煩。獲得良好的互換性，必須對(duì)輸出標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行補(bǔ)償，以保證所有的高精度傳感器均有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)輸出。對(duì)傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)有效措施是使傳感器設(shè)計(jì)時(shí)有 15%左右的過靈敏度，一部分用云彌補(bǔ)溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、側(cè)向力補(bǔ)償所造成的損失，余下部分則用于在輸入端串聯(lián)輸出標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償電阻，其阻值在傳感器校準(zhǔn)時(shí)由校準(zhǔn)確定。定型的商品傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償電阻都是放在傳感器接線盒內(nèi)的。

6.結(jié)束語

地磅是一種重要的計(jì)量器具，地磅廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研和醫(yī)療衛(wèi)生等部門。電子衡器已經(jīng)成為了地磅發(fā)展的必然趨勢(shì)，并且現(xiàn)階段電子地磅已經(jīng)占據(jù)了極其重要的地位，設(shè)計(jì)制造出性能優(yōu)良的電子地磅極為重要，因此其對(duì)地磅傳感器的補(bǔ)償問題也就尤為重要。