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传感器的工作原理-精品分享

在近二十年里,不断的有高新技术应用于称重传感器的研发和制造,使得传 感器技术迅猛发展,种类和样式越来越多。而相对于称重传感器的发展,对称重 传感器的检测技术和手段就相对滞后,称重传感器的不同种类和工作原理也给其 检测工作带来了很大的困难。 在应变式称重传感器出现的初期,根本没有检测称重传感器的理念和方法, 随着称重传感器的准确度和稳定性越来越好,对传感器的使用也提出了一定的要求,产生了检测称重传感器性能的原理和方法,就是使用标准砝码串联到传感器 上,利用砝码的重力使传感器产生应变提供受力值,用比较法判断称重传感器的 准确度,可归纳为量值传递方法。

这一基本原理和方法至今仍然是检测称重传 感器的主要思路和措施。 随着称重传感器量程的不断增大,砝码由于体积大、搬运不便等缺点,采用 砝码作为力源的方法很难满足大量程称重传感器的检测要求,因而出现了采用拉/ 压力机对传感器施加压力,由于压力机输出的力值精确度很差,只能寻找一个 标准传感器与被检传感器连接,比对两者的输出值,这种方法称为比对式力标准 机法,与采用砝码的静重式力标准机法并称为称重传感器的静态检测法。 静态检测法的缺点是力值很难稳定或稳定需要很长时间,检测时很大程度上 影响检测准确度,随着电子技术的发展和数字化程度的提高,出现了动态检测法 克服了静态检测法的一些缺点,这种方法是在连续加载过程中连续采样,可以 对力值变化的曲线进行对比,更加科学合理。

但这种方法对传感器和仪表的要求 较高,而且目前没有相对应的检测规程或规范。 目前对称重传感器的检测主要都集中于上述几种方法,但是具体应用上有了较大的提高,出现了网络化检测和监控。称重传感器的网络化是传感器领域近 些年发展起来的一项新兴技术,它利用 TCP/IP 协议使现场测量数据就近通过网 络与网络上有通信能力的节点直接进行通信,实现了数据的实 时发布和共享。由 于传感器自动化、智能化水平的提高,多台传感器联网已推广应用,虚拟仪器、 三维多媒体等新技术已开始实用化。传感器网络化的目标就是采用标准的网络 协议,同时采用模块化结构将称重传感器和网络技术有机地结合起来,实现信息 交流和技术维护。 称重传感器是一种测力系统,其主要原理是通过力-电转换,将非电量转换为 电量,将电量传输出去形成电子信号。称重传感器按其工作原理可以分为电阻应 变式、电感式、电容式、压电式、压磁式、振弦式等。按照称重传感器的结构 形式可以分为柱式、悬臂梁式、剪切梁式、轮辐式、圆环式、箱式等等。

1.柱式称重传感器由弹性敏感元件和电阻应变计两部分组成,弹性敏感元件将 被测物体的质量转化为弹性体的应变值,然后电阻应变计将弹性体的应变值转 变为电阻值的变化,弹性敏感元件和电阻应变计以适当的方式组成电桥,最终将 被测物体的质量转化为电信号,由称重仪表接收信号并显示为质量值。

2.电容式称重传感器是将被测物体的质量转化为电容变化,作为电信号输 出。它一般由一个对位移敏感的电容式传感器和一只应变弹性体组成,与柱式电 阻应变式称重传感器的原理相似,弹性应变体将被测物体的质量转化为弹性体的 应变值,然后电容式传感器将弹性体的应变值转变为电容值的变化,最后电容变 化转化为电信号输出,由称重仪表接收并转变为质量显示。 电阻、形变、物理应变式称重传感器和电容式称重传感器的区别在于电容式 称重传感器的电容变化更加迅速,对弹性体的变化更加敏感,但是电容式传感器 交易损坏且不易维修和维护。

3.磁弹性式称重传感器。一均质的磁导体在其本身不带电压的情况下,其磁导 率与方向无关,磁导体变形,磁导率将有方向性。对称重传感器施加载荷,将使 发射线圈磁场产生很大的变化,继而产生以九十度旋转配置的接收线圈磁耦合变 化。 磁弹性效应不可能是线性的,而在称重传感器上的应用要求却是必须线性化, 要解决这一问题,人们提出来的方法是将两个弹性元件成列配置,在一个弹性 体受拉的同时,另一个弹性体受压。磁弹性式称重传感器的优点是内阻小、信号 电压较高,且结构比较坚固、抗干扰性强,所以常被用在特殊的环境中,如阴 冷、电干扰环境等,目前,磁弹性式称重传感器常用于电子衡器和测力系统中。

4.液压式称重传感器。液压式称重传感器的工作原理是利用压力传感器的较小面和负荷活塞的较大薄膜面进行力的传递。它的工作方式一般有两种,第一种是 压力厚膜技术,这是一种集电子材料、多层布线技术、表面微组装及平面集成技 术于一体的微电子技术,压力厚膜材料是有机介质掺人微细金属粉、玻璃粉或陶 瓷粉末的混合物,通过丝网印刷工艺,印制到绝缘基板上。另一种工作方式是利 用半导体电阻应变计技术,这是一种以压阻效应作为理论基础的,其敏感栅由锗 或硅等半导体材料制成的应变计。上述两种方法都是以不泄露的液压传动,也 可采用高粘性材料和弹性材料代替液体,但不论使用何种材料都不够精准,相比 使用金属弹性应变计的技术,其精密度水平较低,只能满足 D 级的精密度要求, 通常用于比较危险的环境中。

5.光栅式称重传感器。这种称重传感器是利用光栅遮挡原理测量位移,一般用 于长度方面的测量,作为称重传感器则很少使用。光栅是一组刻线,一般刻在一 块形状规则的光学玻璃上,要求间距相等,相互平行,当然还有越密越好,刻线 密度最少应达到 10 线/毫米。由光栅形成的遮挡位置具有光学放大作用,同时能 平均误差,能大大增加测量的精密度。标尺光栅与指示光栅不能同时移动或 不能有相同的移动速度,它们之间的相对移动便会形成叠栅条纹。这些叠栅条纹 也有移动速度,其速度等于标尺光栅与指示光栅之间的相对移动速度。这一速度 会在它们的输出端产生一系列的电脉冲,通过放大、滤波、辨别和统计行程方便 接收的数字信号输出,直接数字化显示出被测的距离。“传感器的光路形式有两 种:一种是透射式光栅,它的栅线刻在透明材料(如工业用白玻璃、光学玻璃等) 上;另一种是反射式光栅,它的栅线刻在具有强反射的金属(不锈钢)或玻璃镀 金属膜(铝膜)上。光栅式称重传感器的优点是量程大和精密度高,可用于动态 测量,并且也能保持很高的精密度,但是生产成本较高,应用的范围较窄。此外,还有感应螺旋弹簧式称重传感器、压阻式力接收器等种类的称重传感器,这里就不一一介绍了。

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