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地磅稱重傳感器技術(shù)參數(shù)解讀
本文著重講解如何根據(jù)相對DR或Z和V.或Y兩個參數(shù)來設(shè)計(jì)稱重器， 并列舉了兩個實(shí)例，單只傳感器和四只傳感器的應(yīng)用。并論證了用C3級傳感器可以設(shè)計(jì) n=4000分度的衡器。DR或Z和或Y這兩個參數(shù)是設(shè)計(jì)地磅的主要依據(jù)。
稱重傳感器的品質(zhì)決定了地磅的精度和可靠 性。所以說稱重傳感器是稱重系統(tǒng)的心臟。地磅特別是貿(mào)易用的衡器，都是屬于國家強(qiáng)制檢定的 計(jì)量器具，所以無論是使用何種原理的稱重傳感 器所制造的衡器，都必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo) 準(zhǔn)。但至今除應(yīng)變式稱重傳感器有依照非自動衡器規(guī)則來制定的標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程，還沒有其它類 型的稱重傳感器有與之相類似的標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程。 幸運(yùn)的是，現(xiàn)在使用的衡器百分之九十左右都是 使用應(yīng)變式傳感器慶平除外。這對我們使用應(yīng) 變傳感器來設(shè)計(jì)和制造衡器帶來了很大的方便。 本文主要討論應(yīng)變式傳感器技術(shù)參數(shù)的有關(guān)問題。
為了便于了解應(yīng)變式傳感器與電子衡器間的 關(guān)系，即R60和R76間的關(guān)系，先簡單介紹一下 有關(guān)歷史。
1938年Simmons和Ruge發(fā)明了應(yīng)變計(jì)，用來 測量應(yīng)變，主要用于軍工和工程方面。到1966年 PTB發(fā)表了將應(yīng)變傳感器用于機(jī)電結(jié)合稱重裝置 的文章，此時傳感器的精度已達(dá)到0.1%,并通過 了產(chǎn)品認(rèn)證。1976年PTB發(fā)表了應(yīng)變式傳感器首 次試驗(yàn)檢定的文章，該檢定是根據(jù)稱重機(jī)IR3 OIML規(guī)則和71/316/EEC歐洲指令。然而此時是根 據(jù)應(yīng)變式力傳感器的技術(shù)指標(biāo)來試驗(yàn)。它與衡器 的計(jì)量要求和技術(shù)指標(biāo)之間存在差異和不同要求。 特別是之后電子衡器的迅速發(fā)展、應(yīng)變式力傳感器單項(xiàng)的技術(shù)指標(biāo)與非自動衡器用分段階梯的 大允許誤差限間存在根本性的差異。迫切需要制定能與非自動衡器計(jì)量要求和技術(shù)要求相適應(yīng)的 稱重傳感器的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程。從上世紀(jì)八十年代初，OIML組織就著手編制適于非自動衡器 的稱重傳感器建議和適用電子衡器的非自動衡器建議，即R60和R76號建議。1992 年版的R76號建議（包括1994的修訂本的基本 規(guī)則是非自動衡器計(jì)量稱重要求的版本。 R60在1991年、1993年發(fā)布了包括有計(jì)算程序和 試驗(yàn)報(bào)告的建議。該建議是根據(jù)R76號建議的計(jì) 量要求和技術(shù)要求專門制定的適用于衡器要求的 傳感器的建議。并在1995年巴黎召開的 eighing Towards the Year 2000?的會上進(jìn)行了首 次修改，并由PTB的B.MEIBNER以題為'"Reflections on NAMIs Module ?Load Cell 的文章 對R60的內(nèi)容做了講釋，這篇文章對我們了解 R60以及與R76間的關(guān)系很有幫助。之后的修定 版本，在基本原則上沒有改變。
R60的計(jì)量要求是根據(jù)R76制定與R76 —樣 也是分為四個精度級別，A、B、C或D與非自動 衡器的四個級別I、II、III或IV相對應(yīng)。對傳感 器大允許誤差的分量系數(shù)PiC=0.7他可選定在 0.3?0.8范圍內(nèi)，三級和四級秤和與之對應(yīng)的C 級和D級傳感器的誤差限如表1所示。
非自動秤的梯形誤差包絡(luò)限是由下述試驗(yàn)確定：
非線性+滯后+靜態(tài)溫度試驗(yàn) 注意此誤差不包括蠕變和零點(diǎn)溫度的影響。 傳感器的誤差限基本上也是根據(jù)衡器的試驗(yàn)程序 確定。從原則上講，根據(jù)這樣對應(yīng)關(guān)系，用C3級 傳感器來設(shè)計(jì)三級秤可供貿(mào)易用秤是*能 滿足要求。給設(shè)計(jì)者帶來很大方便。
由于技術(shù)進(jìn)步以及微處理機(jī)在稱重系統(tǒng)中的 運(yùn)用，對傳感器和衡器帶來了以下四個方面的新 發(fā)展：
•平臺秤用的單點(diǎn)稱重傳感器 •數(shù)字傳感器 •多分度稱重裝置 •多范圍量程稱重裝置。
所以在新的R60 (2000年版中增加了對數(shù) 字傳感器的試驗(yàn)和兩項(xiàng)非強(qiáng)制性的參數(shù)：相對DR 或Z和相對Vmn或Y。這兩個參數(shù)雖然是非強(qiáng)制 性，但對我們設(shè)計(jì)衡器卻非常重要。
因此，要求傳感器需給出以下參數(shù)的補(bǔ)充認(rèn) 證檢定證書：
?傳感器的大秤量.Ema (kg ?大檢定分度數(shù).niΚax
?小檢定分度值：Vmi?(kg 根據(jù)OIML R60得到的Cmdkh值是以V為單 位，需根據(jù)下式計(jì)算得出DR值。
DR= (Cmsjcrx Em) /nMox ?靈敏度： mv/v ?輸入電阻：Q ?供電電壓：V •防護(hù)等級 •電線長度
這些參數(shù)是設(shè)計(jì)衡器的基本參數(shù)，首先根據(jù) 衡器量程選擇傳感器的大秤量。
傳感器的檢定分度數(shù)：ni?=E_/V 衡器的檢定分度數(shù)：n=Mx/e 傳感器額定量程：丑腿、Em,?
衡器的秤量范圍：Mx, Min=20e 傳感器檢定分度值：V、V?
衡器檢定分度值：e、e?
通常使用的衡器要求滿足貿(mào)易n要求，即三 級秤的要求。為此應(yīng)選用C3級傳感器。對于C3 級傳感器，當(dāng)分度n=3000時，大允許誤差為衡 器大允許誤差的Plc倍，其中mpe為衡器的大 允許誤差，Plc為分量系數(shù)，通常p?0.7。
必須記住對于C3級傳感器的3000分度，并 不是它的大不能超過的誤差限的分度數(shù)。它的 大分度數(shù)如咖^ 3000,由DR或Z值確定， Z=E_/ (2DR 和 Z Mxifa/e—對 C3 級傳感器。nMra 值一般為3000至10000。由它決定了傳感器的測 量結(jié)果不超過大允許誤差（m^的測量范圍，可 分成的大分度數(shù)nM«„。同時也確定了用它制造的 衡器的小分度值e„„。
傳感器的小檢定分度V?或Y也是設(shè)計(jì)衡 器的重要參數(shù)。V?為溫度每變化5蚓傳感器零點(diǎn) 的漂移值，HJNmn。它決定了在傳感器不超過 大允許誤差使用范圍內(nèi)的大分度數(shù)。通常Y 值比Z值大兩至三倍。應(yīng)注意Y與nc無關(guān)，下面 是根據(jù)OIML R60文本中所舉例來了解Y和Z的 具體數(shù)值。
Class C3、nLc=3000、Y=12000、Z=4000 E_=100Kg、300Kg、500Kg、5000Kg、10t、 30t 和 50t
Class C6 ： nL=6000、Y=18000、Z=6000 Emat=50Kg、100Kg、300Kg 和 500Kg 下面我們用實(shí)例來說明如何根據(jù)這些參數(shù)來 設(shè)計(jì)衡器。
根據(jù)歐洲EN45502、4, 2, 1,傳感器的E- 和衡器的Max^,之間應(yīng)滿足下要求：
E—乏(MaxMjj+DL+IZSR+NUD+T) /N 式中：N—傳感器的數(shù)目；
DL 死載荷；
IZSR?初始的零點(diǎn)的設(shè)置范圍：
NUD 載荷非均勻分布，即角偏誤差；
T?附加皮重。
并推薦對傳感器容量的快速估計(jì)法。
Mxm?N. E腿=0.25 …0.5
相對Vmn或Y和相對DR或Z是設(shè)計(jì)衡器非常 重要的兩個參數(shù)。特別是設(shè)計(jì)多量程和多分度衡 器的根據(jù)。由此二參數(shù)決定所選的傳感器是否滿 足多量程衡器和多分度衡器的要求。
•多量程衡器MR
雙量程 三量程：
DR=0.5e,由 至 0 (DRS e)
V,^?1.0ell 由 開始至 0
Y=E?/V腿或
^min?emiJ 姨^
ZS 0.4MaxMat/emin (當(dāng) DR 未知時 雙量程衡器：高Y值 三量程衡器：高Y值和高Z值 •多分度衡器MI 雙分度一三分度：
DR=0.5e1 由 Maxi 至 0 ZEmJ (2DR ZS MaxM?eè
雙分度衡器：高Y值和高Z值 三分度衡器：高Y值和特高Z值 再重復(fù)一下，Y和Z值與niC和階梯誤差限無 關(guān)。下面舉實(shí)例在設(shè)計(jì)多量程和多分度衡器時， 如何確定Z和Y值。
•用100Kg單點(diǎn)式傳感器，設(shè)計(jì)一臺三量程秤。
要求：60Kg/20g; 30Kg/10g 和 15Kg/5g,靜載 何為15Kg;初始零點(diǎn)范圍10Kg。
每一量程分度精度均為n=3000,即： n=Max/e=60Kg/20Kg=3000 Y=EmII/Vmin=100Kg/0.005Kg=20000 和 Z=0.4 ?MaxMa*/em,n=0.4 ?60Kg/0.005Kg=4800 可選Y=25000, Z=6000的傳感器。在供電電 壓為5V,傳感器的靈敏度為2mv/V時，e„„的輸出 電壓為：
emin=2mv/V* 5V* 0.005Kg/100K^0.0005mv=0.5^ V 據(jù)此可選適用于顯示器，現(xiàn)在一般顯示器均可達(dá) 0.4^ V/VSL。
?用四只3000Kg傳感器設(shè)計(jì)大秤量 Max=3000Kg的雙分度地秤。在國外認(rèn)為地秤的載 荷非均勻分布值（NUI)很高。在本例中 NUD=1500Kg。以保護(hù)傳感器在稱重過程中不被破 壞。
要求：3000Kg/1Kg 和 500Kg/0.5Kg,靜載荷 1500Kg;初始零點(diǎn)范圍 500Kg 和 NUD=1500Kg。每一量程分度精度均為n=3000,即： n=3000Kg/1Kg=3000
YS Em* VN/em?3000Kg.2/0.5Kg=12000 ZS MaxMax/emin=3000Kg/0.5K^6000 可選用Y=23000和Z=6000的傳感器。用上例 方法確定e?的輸出電壓，選擇顯示器。
中國也有多量程式多分度的衡器，若不能根 據(jù)傳感器的Z和Y來選擇合適的相應(yīng)的傳感器， 是不能制造出合格的多量程和多分度衡器。國外 大稱量秤為多量程衡器，小稱量，特別是商用秤 多為多分度衡器。
中國制造稱重傳感器的廠家，不太了解衡器 的設(shè)計(jì)和制造、使用。對于Z和Y兩個參數(shù)，對 衡器的設(shè)計(jì)和制造的重要性不是很重視。衡器制 造廠家，也幾乎認(rèn)為只要傳感器達(dá)C3級就可以用 來設(shè)計(jì)出優(yōu)良的III級秤，實(shí)際上同為C3級的傳感 器，Z和Y可有很大的差異，不少C3級傳感器是 達(dá)不到設(shè)計(jì)多量程和多分度秤的要求。
國內(nèi)不少生產(chǎn)汽車衡的廠家，根據(jù)用戶的要 求、生產(chǎn)出4000分度的汽車衡。下面通過分析看 看是否有理論依據(jù)。
用四只C3級100t傳感器設(shè)計(jì)一臺200t，n=4000分度的汽車衡：
傳感器 E_=100t, nic=3000, Z=3000 求傳感器靜載荷輸出恢復(fù)DR和分度值e 2-DR=姨4 -100t/3000=2-33.3Kg=66.6Kg e=100t/3000=33.3Kg 大允許誤差
mpe=姨4 -e=2x 33.3Kg-PiC Plc=0.7 所以傳感器的大允許誤差mpe=46.6Kg 根據(jù)OIMLR60,上面求的靜載荷輸出恢復(fù)DR 為在加載接近E麗時的恢復(fù)值。而衡器的零點(diǎn)恢復(fù) 值是在大秤量值D (Max測得。通常用MDLOR表 示傳感器在載荷E麗下測得的靜載荷輸出恢復(fù)值， 它與衡器載荷為D (Max測得的傳感器DR值之間 存在以下關(guān)系。
DR=MDLOR * D (Max /E 腿 在此時DR=33.3Kgx 200t/400t (在均勻加載結(jié) 論)=16.7Kg
200t衡器，當(dāng)分度數(shù)為n=4000時，分度值e
為：
e=4000 =50Kg,即 mpe=e=50Kg。
根據(jù)OIML R76,非自動衡器回零的偏差不得 超過± 0.5e,在此時為± 25Kg 將計(jì)算結(jié)果做比較。
如表2所示。對D3級傳感器，Y2 10000是起碼的要求。 再估計(jì)顯示器的要求，通常顯示器橋壓為5V, 小一位示值0.4pV/e。針對現(xiàn)選定的傳感器，靈敏 度為 20mv/V, E_=100t。
^ V/e=20mv/Vx 5V 50Kg/(100tx 4) =500mv/400t=1.25p V/e>0.4^V/e 從上述理論分析，可得出結(jié)論：用C3級傳感 器，可以制作n=4000分度的III級秤。但是對大噸 位的傳感器的DR值，一般傳感器生產(chǎn)廠沒有條件 測量。給設(shè)計(jì)者帶來不確定性。值得注意的是，對地磅之類的戶外用衡器，由于風(fēng)力等環(huán)境條 件的影響，即使是n=3000分度的衡器，要確保測 量精度也有一定問題，所以n=4000分度在戶外使 用的衡器欲保證測量精度就更有困難。
中國制定傳感器檢定規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的專家對衡 器不甚了解，反之對制定衡器檢定規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的 專家對傳感器也同樣不甚了解，特別表現(xiàn)在制定 衡器的標(biāo)準(zhǔn)時，對應(yīng)使用傳感器的具體的計(jì)量要求和技術(shù)要求沒有明確的規(guī)定。這表現(xiàn)了中國的 衡器工作者在衡器基礎(chǔ)知識和理論方面的缺失，這是中國欲成為衡器強(qiáng)國需要努力的重要方面。
至今，還沒有任何一種測力傳感器能動搖應(yīng) 變傳感器在稱重領(lǐng)域的地位。然而應(yīng)變傳感器應(yīng) 如何發(fā)展始終是研究的問題。也曾有不少廠家試 圖將“應(yīng)變片”直接濺射到彈性體上。但至今未見到正式批量的產(chǎn)品。我們也曾在這方面做過研 究，發(fā)現(xiàn)不僅彈性體要專門設(shè)計(jì)，而且濺射后的“應(yīng)變計(jì)”與原來的箔材的物理特性也有改變。原 來的箔材是合金體，而現(xiàn)在由于是濺射變成“分 層”的。總的來說，近幾十年來，應(yīng)變傳感器本 質(zhì)上沒有太大改變。其改進(jìn)主要表現(xiàn)在工藝方面 和設(shè)計(jì)了能適用各種測量需要的彈性體。制定了 與衡器計(jì)量要求、技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法。 以便于簡化對衡器的設(shè)計(jì)。值得一提的是組件式 傳感器的出現(xiàn)，可簡化和便于衡器的設(shè)計(jì)和安裝、 調(diào)試。這也是傳感器的一個明顯進(jìn)步，但傳感器 的進(jìn)步始終是衡器發(fā)展的前提，因此說“稱重傳 感器是稱重系統(tǒng)的心臟”。