深圳市卓航自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)有限公司主要從事于微型測力傳感器、高精度稱重傳感器、S型傳感器、懸臂梁傳感器、多維力傳感器、張力傳感器、變送器、控制儀表的研發(fā)生產(chǎn)及提供系統(tǒng)工程控制的解決方案。服務(wù)熱線 ：13528790837

　　稱重傳感器(Load Cell)其實(shí)用途非常廣泛，最常見的就是一些體重秤了。這種力傳感器的主要特點(diǎn)就是只測一個(gè)方向的力(通常是質(zhì)量/重力)，其它方向的力/力矩都被忽略。

　　其實(shí)這類力傳感器的核心部件就是一個(gè)粘貼有應(yīng)變計(jì)的金屬結(jié)構(gòu)，可能是鋁或不銹鋼。某寶上的10Kg量程的稱重傳感器也就20RMB左右，可以說是相當(dāng)便宜了。這個(gè)部件可以把作用在傳感器上的力成比例的轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。如果進(jìn)行了標(biāo)定的話，那么知道電信號(hào)也就知道作用力是多少了。

　　那么這個(gè)結(jié)構(gòu)是如何工作的呢?其實(shí)一切都要從變形出發(fā)。傳感器總是一端固定(A)，另一端受力(B)的，結(jié)構(gòu)受力后會(huì)產(chǎn)生變形，變形經(jīng)過粘貼在結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變計(jì)組成的電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。這些應(yīng)變計(jì)是用特殊的膠水固定在傳感器上特殊的敏感位置的，并且用防護(hù)涂層進(jìn)行保護(hù)。受力越大，變形越大，那么電信號(hào)也越大，并且這些關(guān)系通常是一個(gè)成比例的線性關(guān)系。

　　這個(gè)變形一般是很小的，肉眼很難察覺。為了便于理解，天平君建立了一個(gè)3D模型，采用有限元方法進(jìn)行一個(gè)簡單仿真。傳感器尺寸為12mm*12mm*80mm，量程為20Kg。應(yīng)變計(jì)假設(shè)為2mm*4mm大小。這個(gè)仿真將展示放大后傳感器的變形情況，通過計(jì)算還可以發(fā)現(xiàn)這種傳感器的一些有趣的現(xiàn)象或用途。

　　這種傳感器可以有很多電橋形式完成信號(hào)轉(zhuǎn)換。1/4橋、半橋和全橋都可以進(jìn)行測量。最為廣泛的還是采用全橋，因?yàn)槠湓陟`敏度和溫度效應(yīng)方面全橋都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。天平君以4片應(yīng)變計(jì)全橋?yàn)槔齺磉M(jìn)行仿真。

　　假設(shè)材料為鋁材，應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)為Ks=2.1.激勵(lì)電壓為Uin=9V。理論上信號(hào)輸出Uout可以被估算出來，只要知道這四片應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變就可以了。

　　這很容易在有限元軟件中模擬并獲得應(yīng)變、變形等數(shù)據(jù)。天平君將計(jì)算四種工況下電橋的理論信號(hào)輸出。根據(jù)上面的公式，有限元仿真只需要計(jì)算應(yīng)變計(jì)表面的沿著絲柵方向的平均應(yīng)變。為了方便分析，有限元結(jié)果提取時(shí)將每片應(yīng)變計(jì)的最大應(yīng)變與最小應(yīng)變加起來再除以2表示平均應(yīng)變。

　　這些力或力矩都是施加在端面或端面的某一部分。先看各種工況下結(jié)構(gòu)的變形情況。

　　再給出計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)表。根據(jù)前面介紹的計(jì)算方法，各應(yīng)變計(jì)的平均應(yīng)變?cè)诟鞴r下被提取出來，用于輸出信號(hào)的估算。說好的力與信號(hào)有比例關(guān)系啊，為什么工況1的情況下信號(hào)接近0呢，而其它相同大小的力卻能產(chǎn)生很大的電信號(hào)?

　　工況1.力作用位置在應(yīng)變計(jì)的正上方，假設(shè)有剛性托盤與端面相連。這種情況下，無論施加多大的力，基本不會(huì)有任何電壓輸出。這是因?yàn)椋瑧?yīng)變計(jì)一半處于拉長狀態(tài)而另一半處于壓縮狀態(tài)，整體上基本抵消，沒有電阻變化。應(yīng)變計(jì)上的應(yīng)變分布可以清楚的體現(xiàn)這一點(diǎn)。力學(xué)上分析，力對(duì)于應(yīng)變計(jì)中心的力矩為0.因?yàn)榱Ρ蹫?.

　　這種情況下，結(jié)構(gòu)變形見下圖。這一變形也可以佐證電橋輸出為0的結(jié)論。因此，這種結(jié)構(gòu)和電橋的情況下，稱重傳感器的安裝托盤是不能讓其中心在應(yīng)變計(jì)的正上方的。否則，無論如何變化質(zhì)量，傳感器基本沒有信號(hào)輸出。

　　工況2.力作用在端面的中心位置，沒有任何偏心。這里有理想的信號(hào)輸出。

　　工況3.力作用在端面的偏心位置，偏移量為6mm，有理想的信號(hào)輸出。但同樣大小為200N的力，輸出電信號(hào)卻發(fā)生了微小的變化。變化量大約為0.7%，這一誤差在要求不高的情況是可以忽略的。這就可以解釋，為什么體重秤有時(shí)候站立的位置不同會(huì)有一些誤差的現(xiàn)象了。因?yàn)槌霈F(xiàn)了位置偏移產(chǎn)生力矩的微小干擾。這也說明在使用過程中，重量要盡量對(duì)稱放置在傳感器的中心平面上。最好怎么標(biāo)定的，就怎么使用。

　　工況4.力矩作用在端面的中心位置，力矩的方向與前面施加力產(chǎn)生的力矩方向一致，仍然有理想的信號(hào)輸出。這說明，其實(shí)這種稱重傳感器也可以用于純力矩的測量的。只是現(xiàn)實(shí)中測量純力矩的需求很少，并且一般力矩與力是伴隨產(chǎn)生的。

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