淺談地磅與地磅傳感器及其補償問題

地磅是主要用于確定物體質量的一種計量儀器，隨著科技的進步和實際使用的要求不斷提升，地磅已經由原始的機械地磅發(fā)展到了電子地磅，傳感器也已經成為電子地磅的核心部件。本文主要討論地磅的原理，地磅傳感器的種類及其補償問題。

地磅是質量計量儀器的簡稱，也就是主要用于確定物體質量的一種計量儀器。國際法制計量組織（OIML）1992 年公布的地磅定義為：“利用作用于物體上的重力來確定該物體質量的計量儀器（該地磅也可用來確定作為質量函數的其他量值、數值、參數或特征）稱之為衡量儀器”。地磅廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、科研和醫(yī)療衛(wèi)生等部門。

若干世紀以來，人們總是應用杠桿原理制作各式各樣的機械地磅，技術上并沒有大的突破。在二十世紀五十年代以后，隨著世界經濟的發(fā)展，機械地磅越來越不能滿足生產自動化和管理現代化的需求，因此迫切需要研究新的稱重技術，用于解決生產和貿易中的自動、快速、連續(xù)稱重的問題.

這些問題單靠純機械地磅是很難解決的，只有通過電氣或電子的手段才能滿足。于是，電子技術逐漸滲入到地磅制造業(yè),電子地磅也就應運而生。

電子地磅是配有電子秤量裝置的地磅，主要有由稱重傳感器、承載器（俗稱稱架）稱重儀表三部分組成。電子地磅的工作原理是將作用在承載器上的質量或力的大小，通過稱重傳感器轉換為與之成正比的電信號，并且以模擬或數字量的形式在稱重儀表上顯示出來。

電阻應變式稱重傳感器因制作簡單、工藝成熟、準確度高（最高準確度目前可做到非線性、重復性、滯后指標優(yōu)于0.01%），占據著稱重傳感器 90%以上的市場份額。電阻應變式稱重傳感器用于靜態(tài)、動態(tài)條件下質量或力的測量，在工業(yè)生產過程檢測、控制、自動稱量等領域以大量應用隨著工業(yè)控制系統(tǒng)向數字化發(fā)展，近幾年來數字式稱重傳感器被開發(fā)并已經得到應用。由于其能夠直接輸出數字量，大大提高了傳輸中的抗干擾能力，并使得計算機的通信極為方便。由于取消了儀表中的模擬放大、A/D 轉換等環(huán)節(jié)，使儀表大為簡化。

振弦式稱重傳感器的特點如下：重復性、線性為滿刻度的 0.01%，穩(wěn)定性為 0.03%，與電阻應變式稱重傳感器的指標大體相當；微小的被測力變化可發(fā)生較大的頻率變化，分辨率高達百萬分之一，靈敏度高；直接數字稱重，被處理的信號及輸出信號都是數字信號，處理過程無 A/D、D/A 轉換,運算精度高；抗電氣干擾、抗振動干擾能力強；傳感器內裝有溫度傳感器，溫度補償靈敏度可達0.0001%/℃；非位移式測量原理，測量過程幾乎無位移發(fā)生，不影響秤架的校準狀態(tài)；有動態(tài)過載保護裝置；最多 15 臺傳感器可在同一根串行總線上傳遞信號，最大傳送距離為 500m。因此這種稱重傳感器是未來傳感器發(fā)展的一個方向。

1.零位補償

盡管電阻應變片經過精心挑選，使其阻值相等。但絕對一致是不可能的，及時挑選出相應的阻值相等的應變片，經過貼片過程，阻值也會發(fā)生變化，所以橋路不平衡是絕對的。

為此，使傳感器在不承重時輸出等于零而進行的調整，叫零點補償。消除初始橋路不平衡的方法有：串聯法、并聯法和外加電壓法。

2.溫度補償

理論討論與實驗室測試時通常都是以室溫恒定為前提的，即使變化范圍也不大，但實際使用時其各項參數受環(huán)境溫度和被測試件溫度影響很大。這種單純由溫度變化而引起的變化現象，稱為溫度效應。產生溫度效應的因素有兩個：一是電阻具有一定的溫度系數；二是電阻材料與被測材料線膨脹系數不同。因此常溫下，溫度效應主要是溫度變化對傳感器參數的影響。這就需要對傳感器進行進行溫度補償。溫度補償主要是指零位漂移補償和靈敏度的溫度補償。

（1） 零位漂移補償

傳感器在不受力時的輸出，隨溫度變化而發(fā)生變化，叫做零位溫度漂移。引起零位溫度漂移的原因很多，例如：電阻應變片溫度系數不一致，電阻應變片膠基厚度和固化程度不一致，引線長度不同，寄生熱電勢的產生，彈性元件與外殼熱膨脹（收縮）不一致，彈性元件縱橫向膨脹系數不同彈性元件曲率的影響，大氣壓力的波動等等。

（2）靈敏度的溫度補償

傳感器的靈敏度與電阻應變片的靈敏系數、彈性體的彈性模量、彈性體的結構尺寸有關系。當溫度變化時，這些參數都會有所變化。所以，傳感器不在恒溫條件下工作而又要求有較高的精度時，就必須對靈敏度進行溫度補償。常用的方法是在拱橋電路中串聯適當的銅電阻。

3.非線性補償

嚴格來說，外加載荷和傳感器的輸出并不完全成線性關系，而是一個拋物線關系，所以存在非線性問題。產生的原因主要是電橋的非線性、彈性體受壓后橫截面增大、應變遷的非線性、彈性體本身的非線性以及模數補償電阻等非線性造成的。補償辦法可以在輸入端接入一個半導體應變片；或利用鎳作模數補償電阻兼作非線性的盒狀膜片，同時用作非線性和側向力補償。

4..側向力補償

由于外力不可能嚴格作用在規(guī)定軸線上，總是要伴隨出現側向力的干擾因素。假若在此側向力作用下，傳感器的工作段軸向對稱點引起的彎曲變形的代數和不為零，則此側向力作用下，傳感器的測量結果，為此必須進行修正。解決辦法主要是在結構中采用雙膜片結構、單膜片結構、滾珠結構、三鏈板式對中結構。也有的干脆更換結構，采用改進后的梁式傳感器及 S 型傳感器。

5.輸出標準化補償

由于應變片黏貼位置不準，應變片系數及彈性體尺寸公差，補償電阻等的影響，同一型號和量程的傳感器的實際靈敏度就不盡相同，這給傳感器的互換性和配用儀器帶來了麻煩。獲得良好的互換性，必須對輸出標準化進行補償，以保證所有的高精度傳感器均有嚴格的標準輸出。對傳感器輸出標準化的一個有效措施是使傳感器設計時有 15%左右的過靈敏度，一部分用云彌補溫度補償、非線性補償、側向力補償所造成的損失，余下部分則用于在輸入端串聯輸出標準化補償電阻，其阻值在傳感器校準時由校準確定。定型的商品傳感器輸出標準化補償電阻都是放在傳感器接線盒內的。

6.結束語

地磅是一種重要的計量器具，地磅廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、科研和醫(yī)療衛(wèi)生等部門。電子衡器已經成為了地磅發(fā)展的必然趨勢，并且現階段電子地磅已經占據了極其重要的地位，設計制造出性能優(yōu)良的電子地磅極為重要，因此其對地磅傳感器的補償問題也就尤為重要。