本文詳細介紹了電子秤的9種常見稱重傳感器的測量原理，比較了它們的優(yōu)缺點，對電子秤的選用提供了一定的指導作用。

0.引言

電子秤是利用稱量原理，確定物體的質量或作為質量 函數(shù)的其它量值、數(shù)值、參數(shù)或特性的一種計量儀器，包 括各種形式的天平和秤。天平通常是進行質量量值傳遞 和精密稱量用的高準確度或特種準確度的衡器；而秤則 是生產(chǎn)過程或商業(yè)流通領域中直接稱量用的普通準確度 或中等準確度的電子秤。

電子秤的結構主要是由承重系統(tǒng)、傳力轉換系統(tǒng) (即傳感器）、示值系統(tǒng)（顯示器）三大部分組成，其工作 原理是以機械或電子的方式平衡被測物重力，通過傳感 器將力轉換成可以檢出的電信號并予以顯示。稱重傳感 器是電子衡器的關鍵部件,根據(jù)其工作原理,分為電阻應 變片式、電磁力平衡式、電容式、光電式、液壓式、振動式、 磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式等9大類。

1.電阻應變片式傳感器

金屬導體的電阻值可用下式表示：

R =p js (1)

式中:p—金屬導體的電阻率（cm2/m);

S一導體的截面積(cm2);

L一導體的長度（m)。

電阻應變片式傳感器是將應變片受力形變轉換為電 信號的敏感器件。電阻應變片通過特殊的黏合劑緊密粘 合于基體上，當基體受力產(chǎn)生形變時,應變片同時發(fā)生形 變,從而使應變片的阻值發(fā)生改變，經(jīng)惠斯頓電橋，如圖 1所示,將電阻變化轉化為電（電壓或電流）信號,從而完 成了將外力變化為電信號的過程。

電阻應變片式傳感器廣泛應用于電子秤中，其稱 量范圍為幾十克到數(shù)千噸，精度達1/1000 ~ 1/10000。 其優(yōu)點是準確度高、測量范圍廣、頻響特性好、結構簡單、 易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化、能在惡劣條件下 工作、壽命長；它的缺點是機械滯后、蠕變和零漂、應變極 限、對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可以 通過一定措施改進。

2.電磁力平衡式傳感器

電磁力平衡式傳感器的稱重過程基于安培力實現(xiàn)。 如圖2,在導線上加上秤盤,秤盤及導線本身具備的重力 方向朝下,而通電導線受到向上的電磁力，當通過導線的 電流值達到某一值時,這兩個力相互平衡,此時傳感器就 處于平衡狀態(tài)。在秤盤上加載重物后，向下的重力增加， 秤盤自然就朝下移動,傳感器就處于不平衡狀態(tài),如需要 再次達到平衡狀態(tài),就需要加大通過導線的電流,使得由 電流產(chǎn)生的電磁力大小與加上物體后受到的重力相等， 秤盤才恢復到平衡位置。電磁力平衡傳感器依靠載流線 圈在恒定直流磁場中產(chǎn)生的電磁力與被測質量的重力平 衡,實現(xiàn)被測質量的電信號轉換。

電磁力平衡傳感器廣泛用于電子分析天平，是精密質量稱量的常用傳感器，精度達1/2000 ~1/60000,稱量 范圍在幾十毫克到十千克之間。其優(yōu)點是測量分辨率 高、價格適宜，靈敏可靠、在精密質量稱量、加速度測量、 化學反應監(jiān)測、水分檢測等領域被廣泛應用。該技術的 缺點是對傳感器的生產(chǎn)條件要求較高，目前世界上只有 為數(shù)不多的幾家大廠掌握這種技術。

3.電容式傳感器

電容式傳感器是一種把被測的機械量,如壓力、位移 等轉換為電容量變化的傳感器。其敏感部件電容器通常 由極間充滿空氣的兩個平行電極組成,如圖3所示。 忽略邊緣效應,平板電容器的電容為：

式中:s—極間介質的介電常數(shù) 4一兩電極互相覆蓋的有效面積 5—兩電極間的距離

S、A、e三個參數(shù)均可引起電容量變化，電容式傳感 器對應分為極距變化型、面積變化型、介質變化型三類。 極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、 振動等引起的極距變化。

電容式傳感器精度達1/200 ~ 1/500。其優(yōu)點是靈 敏度高、動態(tài)響應特性好、結構簡單、價格便宜、過載能力 強、耗電量少、造價低、對高溫、輻射、強振等惡劣條件的 適應性強;其缺點是輸出有非線性、寄生電容和分布電容 對靈敏度和測量精度的影響較大等。此類傳感器目前應 用十分稀少。

4.光電式傳感器

光電式傳感器包括光柵式和碼盤式兩種。

（1）光柵式

光柵式傳感器的工作原理是將光柵形成的莫爾條紋 角位移轉換成光電信號。有兩塊光柵,一塊光柵裝在表 盤軸上可移動，另一塊光柵固定。加載重物后,在傳力杠 桿帶動下表盤軸旋轉從而帶動移動光柵轉動，莫爾條紋 也隨之移動。利用光電管、轉換電路和顯示儀表,計算移 過的莫爾條紋數(shù)量,測出光柵轉動角的大小,從而確定和 讀出被測物重量。

（2）碼盤式

碼盤式傳感器的碼盤（符號板）是一塊裝在表盤軸 上的透明玻璃，上面帶有按一定編碼方法編定的黑白相 間的代碼。加載物體后,通過杠桿使表盤軸旋轉時,碼盤 也轉過一定角度。光電池透過碼盤接受光信號并轉換成 電信號，由電路進行處理并得到測量結果。

光電式傳感器曾主要用于機電結合秤上。其優(yōu)點是 工作穩(wěn)定、抗干擾能力強；缺點是運行速度低，不能滿足 高速稱重要求。該類型傳感器作為曾經(jīng)的一個過渡產(chǎn)品 已完成使命,幾乎退出市場。

5.液壓式傳感器

液壓式傳感器利用液壓油壓力與所承受的被測物重 力（質量）成正比，只要測出液壓油壓力的增大值,就可 得到被測物的質量。

液壓式傳感器的精度一般不到1/1000,有時甚至連 1/100也不到。其優(yōu)點是結構簡單而牢固，測量范圍大。

6.磁極變形式傳感器

磁極變形式傳感器的鐵磁元件在被測物重力作用下 發(fā)生機械變形時，內部產(chǎn)生應力并引起磁導率變化,使繞 在鐵磁元件（磁極）兩側的次級線圈的感應電壓也隨之 變化。測量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力, 進而確定被測物的質量。

磁極變形式傳感器的精度不高，_般為1/100。

7.振動式傳感器

彈性元件受力后，其固有振動頻率與作用力的平方 根成正比。測出固有頻率的變化，即可求出被測物作用 在彈性元件上的力，進而求出其質量。振動式傳感器有 振弦式和音叉式兩種。

振弦式傳感器的彈性元件是弦絲。當承重臺上加有 被測物時,V形弦絲的交點被拉向下，且左弦的拉力增 大,右弦的拉力減小。兩根弦的固有頻率發(fā)生不同的變 化。求出兩根弦的頻率之差，即可求出被測物的質量。 振弦式傳感器精度較高，達1/1000 ~1/10000,稱量范圍 在100克到幾百千克；其缺點是結構復雜，加工難度大, 造價高。

音叉式傳感器的彈性元件是音叉。音叉端部固定有 壓電元件，它以音叉的固有頻率振蕩，并可測出振蕩頻 率。當承重臺上加有被測物時，音叉拉伸方向受力而固 有頻率增加,增加的程度與施加力的平方根成正比。測 出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進 而求出重物質量。音叉式傳感器精度高達1/10000 ~1/ 200000,稱量范圍在500g到10kg之間。

8.陀螺儀式傳感器

陀螺儀的基本部件有陀螺轉子、內/外環(huán)、附件等,如 圖4所示，轉子裝在內環(huán)中，以角速度《繞X軸穩(wěn)定旋 轉。內框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接,并可繞水平軸Y傾斜 轉動。外環(huán)經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機座聯(lián)接，并可繞垂直軸Z 旋轉。轉子軸X在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉 子軸的一端在受到外力F作用時,產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸 Z轉動（進動）。進動角速度《與外力F成正比,通過檢 測頻率的方法測出即可求出外力大小,進而求出產(chǎn)生 此外力的被測物的質量。

陀螺儀式傳感器精度高,達1/100000,另外,還具有響 應時間快,無滯后現(xiàn)象,溫度特性好,振動影響小等優(yōu)點。

9.光纖光柵式傳感器

光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界物理參量對 光纖布拉格波長的調制來獲取傳感信息，是一種波長調 制型光纖傳感器。由于光纖光柵波長對溫度與應變同時 敏感，因此,解決交叉敏感問題，實現(xiàn)溫度和應力的區(qū)分 測量是傳感器實用化的前提，通常可利用兩根或者兩段 具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫 度與應變傳感器,通過確定兩個光纖光柵的溫度與應變響 應靈敏度系數(shù),利用兩個二元一次方程解出溫度和應變。

光纖光柵式傳感器具有以下優(yōu)點:抗電磁干擾；電絕 緣性能好,安全可靠；耐腐蝕,化學性能穩(wěn)定;體積小、重 量輕、幾何形狀可塑;傳輸損耗小，可實現(xiàn)遠距離遙控監(jiān) 測;傳輸容量大，可實現(xiàn)多點分布式測量;傳輸范圍廣，可 測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位 等。就目前而言,光纖光柵式傳感器大多還處于研究和 實驗階段。

10.結束語

電磁力平衡式傳感器和電阻應變片式傳感器發(fā)展相 對成熟,前者主要用于高端市場如分析天平、精密天平、 微量天平和超微量天平等，后者在電子天平和衡器中均 有廣泛應用；光電式傳感器和磁極變形式傳感器在性能 方面缺乏優(yōu)勢,逐漸被市場淘汰;而振動式傳感器和陀螺 儀式傳感器雖然具有較高的精度，但由于其造價高昂而 并未被廣泛使用。電容式稱重傳感器在許多超高溫環(huán)境 對稱量精度要求不高或只為起到安全過載保護作用時使 用具有一定優(yōu)勢,譬如煉鋼廠使用的部分高溫吊鉤秤;液 壓式傳感器應用場合較少，目前主要應用在對稱量要求 精度不高或安全過載保護方面的稱重測力場合，譬如裝 載機秤。雖然目前電磁力平衡式傳感器和電阻應變片式 傳感器在電子秤中是主流，但它們受溫度、氣流、電磁 干擾等環(huán)境影響較大,且傳輸容量小,未來光纖光柵式傳 感器的大力發(fā)展必將成為趨勢。