淺析傳感器的工作原理

淺析傳感器的工作原理

在應變式稱重傳感器出現的初期，根本沒有檢測稱重傳感器的理念和方法， 隨著稱重傳感器的準確度和穩定性越來越好，對傳感器的使用也提出了一定的要求，產生了檢測稱重傳感器性能的原理和方法，就是使用標準砝碼串聯到傳感器 上，利用砝碼的重力使傳感器產生應變提供受力值，用比較法判斷稱重傳感器的 準確度，可歸納為量值傳遞方法。

這一基本原理和方法至今仍然是檢測稱重傳 感器的主要思路和措施。 隨著稱重傳感器量程的不斷增大，砝碼由于體積大、搬運不便等缺點，采用 砝碼作為力源的方法很難滿足大量程稱重傳感器的檢測要求，因而出現了采用拉/ 壓力機對傳感器施加壓力，由于壓力機輸出的力值精確度很差，只能尋找一個 標準傳感器與被檢傳感器連接，比對兩者的輸出值，這種方法稱為比對式力標準 機法，與采用砝碼的靜重式力標準機法并稱為稱重傳感器的靜態檢測法。 靜態檢測法的缺點是力值很難穩定或穩定需要很長時間，檢測時很大程度上 影響檢測準確度，隨著電子技術的發展和數字化程度的提高，出現了動態檢測法 克服了靜態檢測法的一些缺點，這種方法是在連續加載過程中連續采樣，可以 對力值變化的曲線進行對比，更加科學合理。

但這種方法對傳感器和儀表的要求 較高，而且目前沒有相對應的檢測規程或規范。 目前對稱重傳感器的檢測主要都集中于上述幾種方法，但是具體應用上有了較大的提高，出現了網絡化檢測和監控。稱重傳感器的網絡化是傳感器領域近 些年發展起來的一項新興技術，它利用 TCP/IP 協議使現場測量數據就近通過網 絡與網絡上有通信能力的節點直接進行通信，實現了數據的實 時發布和共享。由 于傳感器自動化、智能化水平的提高，多臺傳感器聯網已推廣應用，虛擬儀器、 三維多媒體等新技術已開始實用化。傳感器網絡化的目標就是采用標準的網絡 協議，同時采用模塊化結構將稱重傳感器和網絡技術有機地結合起來，實現信息 交流和技術維護。 稱重傳感器是一種測力系統，其主要原理是通過力-電轉換，將非電量轉換為 電量，將電量傳輸出去形成電子信號。稱重傳感器按其工作原理可以分為電阻應 變式、電感式、電容式、壓電式、壓磁式、振弦式等。按照稱重傳感器的結構 形式可以分為柱式、懸臂梁式、剪切梁式、輪輻式、圓環式、箱式等等。

1.柱式稱重傳感器由彈性敏感元件和電阻應變計兩部分組成，彈性敏感元件將 被測物體的質量轉化為彈性體的應變值，然后電阻應變計將彈性體的應變值轉 變為電阻值的變化，彈性敏感元件和電阻應變計以適當的方式組成電橋，最終將 被測物體的質量轉化為電信號，由稱重儀表接收信號并顯示為質量值。

2.電容式稱重傳感器是將被測物體的質量轉化為電容變化，作為電信號輸 出。它一般由一個對位移敏感的電容式傳感器和一只應變彈性體組成，與柱式電 阻應變式稱重傳感器的原理相似，彈性應變體將被測物體的質量轉化為彈性體的 應變值，然后電容式傳感器將彈性體的應變值轉變為電容值的變化，最后電容變 化轉化為電信號輸出，由稱重儀表接收并轉變為質量顯示。 電阻、形變、物理應變式稱重傳感器和電容式稱重傳感器的區別在于電容式 稱重傳感器的電容變化更加迅速，對彈性體的變化更加敏感，但是電容式傳感器 交易損壞且不易維修和維護。

3.磁彈性式稱重傳感器。一均質的磁導體在其本身不帶電壓的情況下，其磁導 率與方向無關，磁導體變形，磁導率將有方向性。對稱重傳感器施加載荷，將使 發射線圈磁場產生很大的變化，繼而產生以九十度旋轉配置的接收線圈磁耦合變 化。 磁彈性效應不可能是線性的，而在稱重傳感器上的應用要求卻是必須線性化， 要解決這一問題，人們提出來的方法是將兩個彈性元件成列配置，在一個彈性 體受拉的同時，另一個彈性體受壓。磁彈性式稱重傳感器的優點是內阻小、信號 電壓較高，且結構比較堅固、抗干擾性強，所以常被用在特殊的環境中，如陰 冷、電干擾環境等，目前，磁彈性式稱重傳感器常用于電子衡器和測力系統中。

4.液壓式稱重傳感器。液壓式稱重傳感器的工作原理是利用壓力傳感器的較小面和負荷活塞的較大薄膜面進行力的傳遞。它的工作方式一般有兩種，第一種是 壓力厚膜技術，這是一種集電子材料、多層布線技術、表面微組裝及平面集成技 術于一體的微電子技術，壓力厚膜材料是有機介質摻人微細金屬粉、玻璃粉或陶 瓷粉末的混合物，通過絲網印刷工藝，印制到絕緣基板上。另一種工作方式是利 用半導體電阻應變計技術，這是一種以壓阻效應作為理論基礎的，其敏感柵由鍺 或硅等半導體材料制成的應變計。上述兩種方法都是以不泄露的液壓傳動，也 可采用高粘性材料和彈性材料代替液體，但不論使用何種材料都不夠精準，相比 使用金屬彈性應變計的技術，其精密度水平較低，只能滿足 D 級的精密度要求， 通常用于比較危險的環境中。

5.光柵式稱重傳感器。這種稱重傳感器是利用光柵遮擋原理測量位移，一般用 于長度方面的測量，作為稱重傳感器則很少使用。光柵是一組刻線，一般刻在一 塊形狀規則的光學玻璃上，要求間距相等，相互平行，當然還有越密越好，刻線 密度最少應達到 10 線／毫米。由光柵形成的遮擋位置具有光學放大作用，同時能 平均誤差，能大大增加測量的精密度。標尺光柵與指示光柵不能同時移動或 不能有相同的移動速度，它們之間的相對移動便會形成疊柵條紋。這些疊柵條紋 也有移動速度，其速度等于標尺光柵與指示光柵之間的相對移動速度。這一速度 會在它們的輸出端產生一系列的電脈沖，通過放大、濾波、辨別和統計行程方便 接收的數字信號輸出，直接數字化顯示出被測的距離。“傳感器的光路形式有兩 種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業用白玻璃、光學玻璃等） 上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍 金屬膜（鋁膜）上。光柵式稱重傳感器的優點是量程大和精密度高，可用于動態 測量，并且也能保持很高的精密度，但是生產成本較高，應用的范圍較窄。此外，還有感應螺旋彈簧式稱重傳感器、壓阻式力接收器等種類的稱重傳感器，這里就不一一介紹了。

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