杜 志 跃

一、前言

二、称重传感器工作原理

三、选型

四、影响性能的因素

3.1非线性误差

3.2长期稳定性

3.3环境干扰

五、安装使用

六、总结

关键词：称重传感器、工作原理、性能

一、前言

称重传感器作为力学量测量的核心器件，通过将外力转化为电信号，广泛应用于工业、医疗及交通等领域。其原理基于弹性体形变于应变效应，结合惠斯通电桥实现高精度信号输出。本文重点介绍其工作原理，为理解传感器设计、选型及故障分析奠定基础。

二、称重传感器工作原理

称重传感器是将重力信号转变为电信号的装置，将应变片粘在弹性体合适的位置上，对弹性体施加力时，弹性体发生形变，同时也会引起应变片发生形变，使应变片产生压阻效应，电阻发生变化。

压阻效应是指半导体受到应力作用时，产生的应变会影响材料的能带结构，是电子激发到导带的过程更加容易或困难。如此一来，载流子的密度会发生改变，导致材料的电阻也随之改变。

在有了电阻值变化后，可通过惠斯通电桥进行信号输出，惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。图1为惠斯通电桥，其中，电阻的变化很小。

图1  惠斯通电桥

并且电桥还分三种，分为四分之一桥，半桥和全桥，四分之一桥只有发生变化。半桥是和发生变化，且两电阻形成差动。全桥是四个电阻都有变化，且每个电阻与相邻的电阻形成差动。

三种方式的输出电压分别为：

四分之一桥：

半桥：

全桥：

电桥的灵敏度为：

由公式可知，三种电桥的灵敏度为1:2:4。实际应用中，电桥输出需考虑温度补偿和放大器增益，公式为理想条件下的简化形式。

在MATLAB中对全桥电路进行仿真，如图2，在四个电阻的阻值都为80欧姆时，检测到输出电压，如图3。当电阻变化1欧姆时，四个电阻形成差动时的输出电压，如图4。

图2  MATLAB全桥仿真

图3  输出电压

图4  输出电压

最后对输出的电压信号进行调理与输出，这是称重传感器的核心处理单元，负责将微弱的模拟信号转换为稳定的、可用的数字信号。其主要功能有：信号放大、噪声抑制、信号线性化、模数转换。

通常的输出信号有电压信号0~10V，电流信号4~20mA。电压信号相比于电流信号，易受线路阻抗和电阻影响，所以不适用于长距离传输，电流信号抗干扰能力强，对电阻的变化不敏感，适合长距离传输。

在故障检测时电压信号的0V可能是正常的最小值，但也有可能是电路故障引起的，不好直接区分，而4~20mA电流信号中达到4mA表示测量下限， 达到0mA说明存在问题。

虽然0~10V成本较低，但还是建议选择使用4~20mA，其抗干扰能力强，可进行远距离传输，更易排查错误，而且随着越来越多的传感器类型具有电流输出功能，成本差异也在变得越来越小。

三、选型

传感器的选型依据主要包括四个方面，传感器的数量与量程、精度、灵敏度和稳定性。

传感器的数量选择与用途和秤体需要支撑的点数有关，支撑点数应根据成体的几何重心和世纪重心重合的原则而确定。

单传感器量程计算公式：

最大总负载：被测物体重量和秤体自重总和。

安全系数：静态称重时取1.2~1.5；动态冲击场景取3~5。

多传感器量程计算公式：

冲击载荷峰值：通过实测或理论计算获得。

动态安全系数：取2~5，冲击越剧烈，系数越大。

一般实际负载不超过额定容量的70%，存在较大冲击时，应降低至20%~30%。

精度越高，传感器价格越贵，精度需匹配系统整体要求，避免过高造成浪费。例如，若系统允差为1%，传感器精度达到0.7%即可。

灵敏度的选择也要根据实际情况而定，灵敏度越高，称重传感器的抗干扰能力越低。可适当降低灵敏度来提高过载能力。

稳定性是传感器长时间使用后还能继续正常工作，稳定性高的传感器的使用寿命越长。影响传感器的稳定性因素，除了称重传感器的质量，还有称重传感器的工作环境，所以，在选购称重传感器时，注意看一下其适用的环境，根据具体环境进行选择称重传感器，选择正确的称重传感器能减少环境对称重传感器的影响，并有利于延长称重传感器的使用寿命。

比如体重秤因其需要制作一个平面来进行测量，一般选择使用四个圆盘式的称重传感器，国标规定，电子体重秤的最大允许误差为+-0.5e（e为检定分度值）。若分度值为100g，则误差范围在+-50g即可。总量程选择200kg。

四、影响精度与性能的因素

影响精度与性能的因素主要有以下几点。

3.1非线性误差

当施加的力超出传感器弹性体线性形变范围、应变片电阻变化与应变量的关系变成非线性以及电桥输出的信号与电阻变化不成比例时会导致测量结果出现偏差。

可优化硬件，如选择更优的弹性体结构，使用高线性度应变片，或使用软件进行补偿。

3.2长期稳定性

随着使用时间和次数的增加，硬件会发生弹性体蠕变、胶粘老化和结构松动等问题，这些情况也会影响测量的精度。

可使用低蠕变的材料，例如不锈钢、合金钢和铝合金等，可根据应用的环境来选择合适的材料。还要定期维护设备，维修或更换零部件。

3.3环境干扰

环境干扰的类型、影响和解决方案如表1。

五、安装使用

称重传感器安装时，将称重传感器端子与变送器输入端子连接，然后给变送器提供24V直流电源，将电源正极接在变送器正极，GND线接在变送器的负极，根据传感器的输出信号是电压还是电流，选择在模拟量模块的输入端，最后将信号屏蔽线接在模拟量模块输入的M端。图5仅展示称重传感器与变送器的接线。

图5 称重传感器接线图

如此接线以后，即可在PLC上获取到称重传感器由模拟量模块转换为数字量的体重数据。

接下来说明如何将数字量数据转换为体重值，本文以西门子200smartplcst20示范。

首先打开西门子200smartplc的编程软件STEP 7-MicroWIN SMART，打开项目数中的系统块对模拟量模块进行组态，如图6。然后点击系统块界面CPU与EM0的模块栏，选择使用的CPU与模拟量模块的型号。

这里注意，在选择好模拟量型号后在EM0的输入、输出栏会显示数字量的地址，如图7。点击EM0的模块栏，再点击接入的通道，比如通道0，可在此界面设置模拟量模块输入的电信号类型与范围等，如图8。 

图6 STEP 7-MicroWIN SMART系统块

图7 数字量输入输出地址

 图8 信号设置

输入地址中的数据是数字量，须通过计算将其转为体重值，200smart的数字量范围是0~27648，我们所选的传感器量程为0~200KG，输入的模拟量信号与数字量和称重传感器量程分别成正比，如图9。

图9 各数据之间的关系

由此我们可以得出来0~27648与0~200KG成正比，所以可以推出公式：

进而推出：

其中X是测量出体重值，Y是测量出的数字量数据。为了计算的数据准确，编程时要将待计算数据全部转为浮点数。变成如图10。

图10 梯形图编程

六、总结

称重传感器是将重力信号转变为电信号的装置。

其原理逻辑为：外力   弹性形变   应变片电阻变化   电桥电压变化