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地磅稱(chēng)重傳感器技術(shù)參數解讀
本文著(zhù)重講解如何根據相對DR或Z和V.或Y兩個(gè)參數來(lái)設計稱(chēng)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用。并論證了用C3級傳感器可以設計 n=4000分度的衡器。DR或Z和或Y這兩個(gè)參數是設計地磅的主要依據。
稱(chēng)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(chēng)重傳感器是稱(chēng)重系統的心臟。地磅特別是貿易用的衡器,都是屬于國家強制檢定的 計量器具,所以無(wú)論是使用何種原理的稱(chēng)重傳感 器所制造的衡器,都必須滿(mǎn)足國家標準或國際標 準。但至今除應變式稱(chēng)重傳感器有依照非自動(dòng)衡 器規則來(lái)制定的標準和檢定規程,還沒(méi)有其它類(lèi) 型的稱(chēng)重傳感器有與之相類(lèi)似的標準和檢定規程。 幸運的是,現在使用的衡器百分之九十左右都是 使用應變式傳感器慶平除外。這對我們使用應 變傳感器來(lái)設計和制造衡器帶來(lái)了很大的方便。 本文主要討論應變式傳感器技術(shù)參數的有關(guān)問(wèn)題。
為了便于了解應變式傳感器與電子衡器間的 關(guān)系,即R60和R76間的關(guān)系,先簡(jiǎn)單介紹一下 有關(guān)歷史。
1938年Simmons和Ruge發(fā)明了應變計,用來(lái) 測量應變,主要用于軍工和工程方面。到1966年 PTB發(fā)表了將應變傳感器用于機電結合稱(chēng)重裝置 的文章,此時(shí)傳感器的精度已達到0.1%,并通過(guò) 了產(chǎn)品認證。1976年PTB發(fā)表了應變式傳感器首 次試驗檢定的文章,該檢定是根據稱(chēng)重機IR3 OIML規則和71/316/EEC歐洲指令。然而此時(shí)是根 據應變式力傳感器的技術(shù)指標來(lái)試驗。它與衡器 的計量要求和技術(shù)指標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、應變式力傳感 器單項的技術(shù)指標與非自動(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)衡器計量要求和技術(shù)要求相適應的 稱(chēng)重傳感器的標準和計量檢定規程。從上世紀八 十年代初,OIML組織就著(zhù)手編制適于非自動(dòng)衡器 的稱(chēng)重傳感器國際建議和適用電子衡器的非自動(dòng) 衡器國際建議,即R60和R76號國際建議。1992 年版的R76號建議(包括1994的修訂本的基本 規則是最接近非自動(dòng)衡器計量稱(chēng)重要求的版本。 R60在1991年、1993年發(fā)布了包括有計算程序和 試驗報告的建議。該建議是根據R76號建議的計 量要求和技術(shù)要求專(zhuān)門(mén)制定的適用于衡器要求的 傳感器的國際建議。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PTB的B.MEIBNER以題為'"Reflections on NAMIs Module ?Load Cell 的文章 對R60的內容做了講釋?zhuān)@篇文章對我們了解 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的計量要求是根據R76制定與R76 —樣 也是分為四個(gè)精度級別,A、B、C或D與非自動(dòng) 衡器的四個(gè)級別I、II、III或IV相對應。對傳感 器最大允許誤差的分量系數PiC=0.7他可選定在 0.3?0.8范圍內,三級和四級秤和與之對應的C 級和D級傳感器的誤差限如表1所示。
非自動(dòng)秤的梯形誤差包絡(luò )限是由下述試驗確定:
非線(xiàn)性+滯后+靜態(tài)溫度試驗 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衡器的試驗程序 確定。從原則上講,根據這樣對應關(guān)系,用C3級 傳感器來(lái)設計三級秤可供貿易用秤是完全能 滿(mǎn)足要求。給設計者帶來(lái)很大方便。
由于技術(shù)進(jìn)步以及微處理機在稱(chēng)重系統中的 運用,對傳感器和衡器帶來(lái)了以下四個(gè)方面的新 發(fā)展:
?平臺秤用的單點(diǎn)稱(chēng)重傳感器 ?數字傳感器 ?多分度稱(chēng)重裝置 ?多范圍量程稱(chēng)重裝置。
所以在新的R60 (2000年版中增加了對數 字傳感器的試驗和兩項非強制性的參數:相對DR 或Z和相對Vmn或Y。這兩個(gè)參數雖然是非強制 性,但對我們設計衡器卻非常重要。
因此,要求傳感器需給出以下參數的補充認 證檢定證書(shū):
?傳感器的最大秤量.Ema (kg ?最大檢定分度數.niΚax
?最小檢定分度值:Vmi?(kg 根據OIML R60得到的Cmdkh值是以V為單 位,需根據下式計算得出DR值。
DR= (Cmsjcrx Em) /nMox ?靈敏度: mv/v ?輸入電阻:Q ?供電電壓:V ?防護等級 ?電線(xiàn)長(cháng)度
這些參數是設計衡器的基本參數,首先根據 衡器量程選擇傳感器的最大秤量。
傳感器的檢定分度數:ni?=E_/V 衡器的檢定分度數: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(mǎn)足貿易n要求,即三 級秤的要求。為此應選用C3級傳感器。對于C3 級傳感器,當分度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,通常p?0.7。
必須記住對于C3級傳感器的3000分度,并 不是它的最大不能超過(guò)的誤差限的分度數。它的 最大分度數如咖^ 3000,由DR或Z值確定, Z=E_/ (2DR 和 Z Mxifa/e—對 C3 級傳感器。nMra 值一般為3000至10000。由它決定了傳感器的測 量結果不超過(guò)最大允許誤差(m^的測量范圍,可 分成的最大分度數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?或Y也是設計衡 器的重要參數。V?為溫度每變化5蚓傳感器零點(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的最大分度數。通常Y 值比Z值大兩至三倍。應注意Y與nc無(wú)關(guān),下面 是根據OIML R60文本中所舉例來(lái)了解Y和Z的 具體數值。
Class C3、nLc=3000、Y=12000、Z=4000 E_=100Kg、300Kg、500Kg、5000Kg、10t、 30t 和 50t
Class C6 : nL=6000、Y=18000、Z=6000 Emat=50Kg、100Kg、300Kg 和 500Kg 下面我們用實(shí)例來(lái)說(shuō)明如何根據這些參數來(lái) 設計衡器。
根據歐洲EN45502、4, 2, 1,傳感器的E- 和衡器的Max^,之間應滿(mǎn)足下要求:
E—乏(MaxMjj+DL+IZSR+NUD+T) /N 式中:N—傳感器的數目;
DL 死載荷;
IZSR?初始的零點(diǎn)的設置范圍:
NUD 載荷非均勻分布,即角偏誤差;
T?附加皮重。
并推薦對傳感器容量的快速估計法。
Mxm?N. E腿=0.25 …0.5
相對Vmn或Y和相對DR或Z是設計衡器非常 重要的兩個(gè)參數。特別是設計多量程和多分度衡 器的根據。由此二參數決定所選的傳感器是否滿(mǎn) 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,由 至 0 (DRS e)
V,^?1.0ell 由 開(kāi)始至 0
Y=E?/V腿或
^min?emiJ 姨^
ZS 0.4MaxMat/emin (當 DR 未知時(shí) 雙量程衡器:高Y值 三量程衡器:高Y值和高Z值 ?多分度衡器MI 雙分度一三分度:
DR=0.5e1 由 Maxi 至 0 ZEmJ (2DR ZS MaxM?eè
雙分度衡器:高Y值和高Z值 三分度衡器:高Y值和特高Z值 再重復一下,Y和Z值與niC和階梯誤差限無(wú) 關(guān)。下面舉實(shí)例在設計多量程和多分度衡器時(shí), 如何確定Z和Y值。
?用100Kg單點(diǎn)式傳感器,設計一臺三量程秤。
要求:60Kg/20g; 30Kg/10g 和 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 和 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 據此可選適用于顯示器,現在一般顯示器均 可達 0.4^ V/VSL。
?用四只3000Kg傳感器設計最大秤量 Max=3000Kg的雙分度地秤。在國外認為地秤的載 荷非均勻分布值(NUI)很高。在本例中 NUD=1500Kg。以保護傳感器在稱(chēng)重過(guò)程中不被破 壞。
要求:3000Kg/1Kg 和 500Kg/0.5Kg,靜載荷 1500Kg;初始零點(diǎn)范圍 500Kg 和 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=23000和Z=6000的傳感器。用上例 方法確定e?的輸出電壓,選擇顯示器。
中國也有多量程式多分度的衡器,若不能根 據傳感器的Z和Y來(lái)選擇合適的相應的傳感器, 是不能制造出合格的多量程和多分度衡器。國外 大稱(chēng)量秤為多量程衡器,小稱(chēng)量,特別是商用秤 多為多分度衡器。
中國制造稱(chēng)重傳感器的廠(chǎng)家,不太了解衡器 的設計和制造、使用。對于Z和Y兩個(gè)參數,對 衡器的設計和制造的重要性不是很重視。衡器制 造廠(chǎng)家,也幾乎認為只要傳感器達C3級就可以用 來(lái)設計出優(yōu)良的III級秤,實(shí)際上同為C3級的傳感 器,Z和Y可有很大的差異,不少C3級傳感器是 達不到設計多量程和多分度秤的要求。
國內不少生產(chǎn)汽車(chē)衡的廠(chǎng)家,根據用戶(hù)的要 求、生產(chǎn)出4000分度的汽車(chē)衡。下面通過(guò)分析看 看是否有理論依據。
用四只C3級100t傳感器設計一臺200t,n=4000分度的汽車(chē)衡:
傳感器 E_=100t, nic=3000, Z=3000 求傳感器靜載荷輸出恢復DR和分度值e 2-DR=姨4 -100t/3000=2-33.3Kg=66.6Kg e=100t/3000=33.3Kg 最大允許誤差
mpe=姨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OIMLR60,上面求的靜載荷輸出恢復DR 為在加載接近E麗時(shí)的恢復值。而衡器的零點(diǎn)恢復 值是在最大秤量值D (Max測得。通常用MDLOR表 示傳感器在載荷E麗下測得的靜載荷輸出恢復值, 它與衡器載荷為D (Max測得的傳感器DR值之間 存在以下關(guān)系。
DR=MDLOR * D (Max /E 腿 在此時(shí)DR=33.3Kgx 200t/400t (在均勻加載結 論)=16.7Kg
200t衡器,當分度數為n=4000時(shí),分度值e
為:
e=4000 =50Kg,即 mpe=e=50Kg。
根據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 將計算結果做比較。
如表2所示。對D3級傳感器,Y2 10000是最起碼的要求。 再估計顯示器的要求,通常顯示器橋壓為5V,最 小一位示值0.4pV/e。針對現選定的傳感器,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,可得出結論:用C3級傳感 器,可以制作n=4000分度的III級秤。但是對大噸 位的傳感器的DR值,一般傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)沒(méi)有條件 測量。給設計者帶來(lái)不確定性。值得注意的是,對地磅之類(lèi)的戶(hù)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 量精度也有一定問(wèn)題,所以n=4000分度在戶(hù)外使 用的衡器欲保證測量精度就更有困難。
中國制定傳感器檢定規程和標準的專(zhuān)家對衡 器不甚了解,反之對制定衡器檢定規程和標準的 專(zhuān)家對傳感器也同樣不甚了解,特別表現在制定 衡器的標準時(shí),對應使用傳感器的具體的計量要 求和技術(shù)要求沒(méi)有明確的規定。這表現了中國的 衡器工作者在衡器基礎知識和理論方面的缺失, 這是中國欲成為衡器強國需要努力的重要方面。
至今,還沒(méi)有任何一種測力傳感器能動(dòng)搖應 變傳感器在稱(chēng)重領(lǐng)域的地位。然而應變傳感器應 如何發(fā)展始終是研究的問(wèn)題。也曾有不少廠(chǎng)家試 圖將“應變片”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)現不僅彈性體要專(zhuān)門(mén)設計,而且濺射后的 “應變計”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,而現在由于是濺射變成“分 層”的??偟膩?lái)說(shuō),近幾十年來(lái),應變傳感器本 質(zhì)上沒(méi)有太大改變。其改進(jìn)主要表現在工藝方面 和設計了能適用各種測量需要的彈性體。制定了 與衡器計量要求、技術(shù)要求的標準和試驗方法。 以便于簡(jiǎn)化對衡器的設計。值得一提的是組件式 傳感器的出現,可簡(jiǎn)化和便于衡器的設計和安裝、 調試。這也是傳感器的一個(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(chēng)重傳 感器是稱(chēng)重系統的心臟”。