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地磅稱重傳感器技術(shù)參數(shù)解讀

時(shí)間:2018-03-19 01:23:39   點(diǎn)擊數(shù):

本文著重講解如何根據(jù)相對(duì)DRZV.Y兩個(gè)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)稱重器, 并列舉了兩個(gè)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(jí)傳感器可以設(shè)計(jì) n=4000分度的衡器。DRZ和或Y這兩個(gè)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(shuō)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(guó)家強(qiáng)制檢定的 計(jì)量器具,所以無(wú)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo) 準(zhǔn)。但至今除應(yīng)變式稱重傳感器有依照非自動(dòng)衡 器規(guī)則來(lái)制定的標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程,還沒(méi)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(duì)我們使用應(yīng) 變傳感器來(lái)設(shè)計(jì)和制造衡器帶來(lái)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(wèn)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R60R76間的關(guān)系,先簡(jiǎn)單介紹一下 有關(guān)歷史。

1938SimmonsRuge發(fā)明了應(yīng)變計(jì),用來(lái) 測(cè)量應(yīng)變,主要用于軍工和工程方面。到1966 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(shí)傳感器的精度已達(dá)到0.1%,并通過(guò) 了產(chǎn)品認(rèn)證。1976PTB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(shí)是根 據(jù)應(yīng)變式力傳感器的技術(shù)指標(biāo)來(lái)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(dòng)衡器用分段階梯的最 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(dòng)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(dòng)衡器 的稱重傳感器國(guó)際建議和適用電子衡器的非自動(dòng) 衡器國(guó)際建議,R60R76號(hào)國(guó)際建議。1992 年版的R76號(hào)建議(包括1994的修訂本的基本 規(guī)則是最接近非自動(dòng)衡器計(jì)量稱重要求的版本。 R601991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(hào)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 傳感器的國(guó)際建議。并在1995年巴黎召開(kāi)的 eighing Towards the Year 2000?的會(huì)上進(jìn)行了首 次修改,并由PTBB.MEIBNER以題為'"Reflections on NAMIs Module ?Load Cell 的文章 對(duì)R60的內(nèi)容做了講釋,這篇文章對(duì)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(méi)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(gè)精度級(jí)別,A、B、CD與非自動(dòng) 衡器的四個(gè)級(jí)別I、II、III或IV相對(duì)應(yīng)。對(duì)傳感 器最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(jí)和四級(jí)秤和與之對(duì)應(yīng)的C 級(jí)和D級(jí)傳感器的誤差限如表1所示。

001.jpg

非自動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系,用C3級(jí) 傳感器來(lái)設(shè)計(jì)三級(jí)秤可供貿(mào)易用秤是完全能 滿足要求。給設(shè)計(jì)者帶來(lái)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(duì)傳感器和衡器帶來(lái)了以下四個(gè)方面的新 發(fā)展:

?平臺(tái)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(duì)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(duì)DR Z和相對(duì)VmnY。這兩個(gè)參數(shù)雖然是非強(qiáng)制 性,但對(duì)我們?cè)O(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(shū):

?傳感器的最大秤量.Ema (kg ?最大檢定分度數(shù).niΚax

?最小檢定分度值: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(jí) ?電線長(zhǎng)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最大秤量。

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(jí)秤的要求。為此應(yīng)選用C3級(jí)傳感器。對(duì)于C3 級(jí)傳感器,當(dāng)分度n=3000時(shí),最大允許誤差為衡 器最大允許誤差的Plc倍,其中mpe為衡器的最大 允許誤差,Plc為分量系數(shù),通常p?0.7

必須記住對(duì)于C3級(jí)傳感器的3000分度,并 不是它的最大不能超過(guò)的誤差限的分度數(shù)。它的 最大分度數(shù)如咖^ 3000,DRZ值確定, Z=E_/ (2DR  Z Mxifa/e對(duì) C3 級(jí)傳感器。nMra 值一般為300010000。由它決定了傳感器的測(cè) 量結(jié)果不超過(guò)最大允許誤差m^的測(cè)量范圍,可 分成的最大分度數(shù)nM??。同時(shí)也確定了用它制造的 衡器的最小分度值e??

傳感器的最小檢定分度V?Y也是設(shè)計(jì)衡 器的重要參數(shù)。V?為溫度每變化5傳感器零點(diǎn) 的漂移值,HJNmn。它決定了在傳感器不超過(guò) 最大允許誤差使用范圍內(nèi)的最大分度數(shù)。通常Y 值比Z值大兩至三倍。應(yīng)注意Ync無(wú)關(guān),下面 是根據(jù)OIML R60文本中所舉例來(lái)了解YZ 具體數(shù)值。

Class C3、nLc=3000、Y=12000、Z=4000 E_=100Kg、300Kg、500Kg、5000Kg、10t、 30t  50t

Class C6  nL=6000、Y=18000、Z=6000 Emat=50Kg100Kg、300Kg  500Kg 下面我們用實(shí)例來(lái)說(shuō)明如何根據(jù)這些參數(shù)來(lái) 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(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(duì)傳感器容量的快速估計(jì)法。

Mxm?N. E=0.25 0.5

相對(duì)VmnY和相對(duì)DRZ是設(shè)計(jì)衡器非常 重要的兩個(gè)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,  0 (DRS e)

V,^?1.0ell  開(kāi)始至 0

Y=E?/V腿或

^min?emiJ ^

ZS 0.4MaxMat/emin (當(dāng) DR 未知時(shí) 雙量程衡器:高Y 三量程衡器:高Y值和高Z ?多分度衡器MI 雙分度三分度:

DR=0.5e1  Maxi  0 ZEmJ (2DR ZS MaxM?eè

雙分度衡器:高Y值和高Z 三分度衡器:高Y值和特高Z 再重復(fù)一下,YZ值與niC和階梯誤差限無(wú) 關(guān)。下面舉實(shí)例在設(shè)計(jì)多量程和多分度衡器時(shí), 如何確定ZY值。

?100Kg單點(diǎn)式傳感器,設(shè)計(jì)一臺(tái)三量程秤。


要求:60Kg/20g; 30Kg/10g  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  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(shí),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)最大秤量 Max=3000Kg的雙分度地秤。在國(guó)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(guò)程中不被破 壞。

要求:3000Kg/1Kg  500Kg/0.5Kg,靜載荷 1500Kg;初始零點(diǎn)范圍 500Kg  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=23000Z=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(guó)也有多量程式多分度的衡器,若不能根 據(jù)傳感器的ZY來(lái)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(guó)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(guó)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(duì)于ZY兩個(gè)參數(shù),對(duì) 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(jí)就可以用 來(lái)設(shè)計(jì)出優(yōu)良的III級(jí)秤,實(shí)際上同為C3級(jí)的傳感 器,ZY可有很大的差異,不少C3級(jí)傳感器是 達(dá)不到設(shè)計(jì)多量程和多分度秤的要求。

國(guó)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(guò)分析看 看是否有理論依據(jù)。

用四只C3級(jí)100t傳感器設(shè)計(jì)一臺(tái)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=4 -100t/3000=2-33.3Kg=66.6Kg e=100t/3000=33.3Kg 最大允許誤差

mpe=4 -e=2x 33.3Kg-PiC Plc=0.7 所以傳感器的最大允許誤差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時(shí)的恢復(fù)值。而衡器的零點(diǎn)恢復(fù) 值是在最大秤量值D (Max測(cè)得。通常用MDLOR 示傳感器在載荷E下測(cè)得的靜載荷輸出恢復(fù)值 它與衡器載荷為D (Max測(cè)得的傳感器DR值之間 存在以下關(guān)系。

DR=MDLOR * D (Max /E 在此時(shí)DR=33.3Kgx 200t/400t (在均勻加載結(jié) )=16.7Kg

200t衡器,當(dāng)分度數(shù)為n=4000時(shí),分度值e

為:

e=4000 =50Kg, mpe=e=50Kg。

根據(jù)OIML R76,非自動(dòng)衡器回零的偏差不得 超過(guò)± 0.5e,在此時(shí)為± 25Kg 將計(jì)算結(jié)果做比較。

002.jpg

如表2所示。對(duì)D3級(jí)傳感器,Y2 10000是最起碼的要求。 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(duì)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(jí)傳感 器,可以制作n=4000分度的III級(jí)秤。但是對(duì)大噸 位的傳感器的DR值,一般傳感器生產(chǎn)廠沒(méi)有條件 測(cè)量。給設(shè)計(jì)者帶來(lái)不確定性。值得注意的是,對(duì)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(cè) 量精度也有一定問(wèn)題,所以n=4000分度在戶外使 用的衡器欲保證測(cè)量精度就更有困難。

中國(guó)制定傳感器檢定規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的專家對(duì)衡 器不甚了解,反之對(duì)制定衡器檢定規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的 專家對(duì)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(shí),對(duì)應(yīng)使用傳感器的具體的計(jì)量要 求和技術(shù)要求沒(méi)有明確的規(guī)定。這表現(xiàn)了中國(guó)的 衡器工作者在衡器基礎(chǔ)知識(shí)和理論方面的缺失, 這是中國(guó)欲成為衡器強(qiáng)國(guó)需要努力的重要方面。

至今,還沒(méi)有任何一種測(cè)力傳感器能動(dòng)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(wèn)題。也曾有不少?gòu)S家試 圖將應(yīng)變片直接濺射到彈性體上。但至今未 見(jiàn)到正式批量的產(chǎn)品。我們也曾在這方面做過(guò)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(lái)的箔材的物理特性也有改變。原 來(lái)的箔材是合金體,而現(xiàn)在由于是濺射變成“分 層的??偟膩?lái)說(shuō),近幾十年來(lái),應(yīng)變傳感器本 質(zhì)上沒(méi)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(cè)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(jiǎn)化對(duì)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(jiǎn)化和便于衡器的設(shè)計(jì)和安裝、 調(diào)試。這也是傳感器的個(gè)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(shuō)“稱重傳 感器是稱重系統(tǒng)的心臟