称重传感器

作者：杜志跃

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。

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，成本差异变得越来越小。

影响精度与性能的因素主要有以下几点。

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。

表1环境干扰的类型、影响及解决方案

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