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荷重傳感器結(jié)構(gòu)原理圖解析

發(fā)布時(shí)間:2025-10-13
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荷重傳感器作為精準(zhǔn)測(cè)量力值的核心器件,廣泛應(yīng)用于電子衡器、工業(yè)自動(dòng)化、材料測(cè)試等領(lǐng)域。其本質(zhì)是通過(guò) “機(jī)械結(jié)構(gòu)受力形變→電學(xué)信號(hào)輸出” 的轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)對(duì)重量、拉力、壓力等力值的精準(zhǔn)計(jì)量。要理解其工作邏輯,需先掌握結(jié)構(gòu)組成與原理的對(duì)應(yīng)關(guān)系 —— 一張完整的荷重傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,實(shí)則是 “力的傳遞、形變感知、信號(hào)轉(zhuǎn)化” 三大系統(tǒng)的協(xié)同示意圖。本文將結(jié)合典型結(jié)構(gòu)原理圖,拆解各核心部件的功能與原理關(guān)聯(lián)。

一、荷重傳感器結(jié)構(gòu)原理圖的核心組成:4 大關(guān)鍵系統(tǒng)
無(wú)論是 S 型、柱式、梁式等常見(jiàn)類(lèi)型的荷重傳感器,其結(jié)構(gòu)原理圖的核心框架一致,均包含彈性體、應(yīng)變片、補(bǔ)償元件、信號(hào)輸出接口四大系統(tǒng),各系統(tǒng)在力值測(cè)量中承擔(dān)不同角色,共同構(gòu)成 “力→電” 轉(zhuǎn)化鏈路。
1. 彈性體:力的 “承載與形變載體”(結(jié)構(gòu)核心)
在結(jié)構(gòu)原理圖中,彈性體通常以 “特定幾何形狀的金屬構(gòu)件” 呈現(xiàn)(如 S 型傳感器的 “工” 字形框架、柱式傳感器的圓柱形主體、梁式傳感器的矩形梁),是荷重傳感器的 “機(jī)械核心”,功能可概括為兩點(diǎn):
  • 力的傳遞與分散:當(dāng)外部力(如重量、拉力)作用于彈性體的受力端時(shí),彈性體通過(guò)自身結(jié)構(gòu)將力均勻傳遞到整個(gè)構(gòu)件,避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致永久形變;

  • 可控形變輸出:彈性體采用高強(qiáng)度合金材料(如 40CrNiMoA、不銹鋼)制成,具備優(yōu)異的彈性恢復(fù)性 —— 受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生與力值成正比的微小彈性形變(通常為微米級(jí),肉眼不可見(jiàn)),力消失后完全恢復(fù)原狀,為后續(xù)應(yīng)變片感知提供穩(wěn)定的 “形變信號(hào)源”。

以 S 型荷重傳感器結(jié)構(gòu)原理圖為例:彈性體上下兩端為受力接口(上端接固定支架,下端掛被測(cè)重物),中間的 “細(xì)頸段” 是形變敏感區(qū) —— 受力時(shí)細(xì)頸段會(huì)發(fā)生拉伸或壓縮形變,且形變程度與力值嚴(yán)格線性相關(guān),這一設(shè)計(jì)能最大化形變靈敏度,同時(shí)保護(hù)彈性體其他部位不受過(guò)度應(yīng)力影響。
2. 應(yīng)變片:形變的 “電阻轉(zhuǎn)化器”(感知核心)
在結(jié)構(gòu)原理圖中,應(yīng)變片以 “貼附在彈性體形變敏感區(qū)的小片狀元件” 形式存在,通常 4 片為一組(構(gòu)成全橋電路),對(duì)稱(chēng)貼附在彈性體的形變敏感區(qū)(如 S 型彈性體細(xì)頸段的前后兩側(cè)、柱式彈性體的圓周對(duì)稱(chēng)位置),是 “機(jī)械形變→電學(xué)信號(hào)” 的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化部件。
應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)在原理圖中可進(jìn)一步拆解為 “基底、敏感柵、引線” 三部分:
  • 基底:絕緣薄膜(如聚酰亞胺),作用是固定敏感柵,同時(shí)隔離彈性體與敏感柵,避免短路;

  • 敏感柵:金屬箔或金屬絲(如銅鎳合金、鎳鉻合金)制成的柵格狀結(jié)構(gòu),是電阻變化的核心 —— 當(dāng)彈性體形變時(shí),敏感柵隨彈性體一起拉伸或壓縮,其電阻值會(huì)隨幾何形狀變化而改變(遵循 “應(yīng)變效應(yīng)”:拉伸時(shí)電阻增大,壓縮時(shí)電阻減?。?;

  • 引線:細(xì)小銅線,用于將敏感柵的電阻信號(hào)引出,接入后續(xù)的橋路電路。

在結(jié)構(gòu)原理圖的 “電路標(biāo)注” 部分,會(huì)清晰顯示 4 片應(yīng)變片的連接方式:2 片貼在彈性體 “受拉區(qū)”(受力時(shí)電阻增大),2 片貼在 “受壓區(qū)”(受力時(shí)電阻減?。@種對(duì)稱(chēng)貼附方式能抵消溫度、振動(dòng)等干擾,同時(shí)加倍輸出電阻變化量,提高測(cè)量靈敏度。
3. 補(bǔ)償元件:測(cè)量精度的 “校準(zhǔn)者”(誤差控制核心)
在結(jié)構(gòu)原理圖的 “電路模塊” 中,補(bǔ)償元件通常以 “小型電阻、熱敏電阻” 的形式與應(yīng)變片橋路串聯(lián)或并聯(lián),作用是抵消環(huán)境因素(溫度、濕度)和工藝誤差(應(yīng)變片粘貼偏差、彈性體材質(zhì)不均)對(duì)測(cè)量精度的影響,核心補(bǔ)償功能包括:
  • 溫度補(bǔ)償:通過(guò)串聯(lián) “溫度敏感電阻”(如鉑電阻),抵消溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)變片電阻漂移 —— 例如溫度升高時(shí),應(yīng)變片自身電阻會(huì)增大,補(bǔ)償電阻則會(huì)通過(guò)電路設(shè)計(jì)反向調(diào)節(jié),使橋路輸出信號(hào)不受溫度影響;

  • 零點(diǎn)補(bǔ)償:在橋路中并聯(lián) “微調(diào)電阻”,用于修正無(wú)外力作用時(shí)橋路的 “零點(diǎn)漂移”(即理想狀態(tài)下無(wú)外力時(shí)輸出應(yīng)為 0,但實(shí)際因工藝偏差可能有微小輸出),通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)電阻使零點(diǎn)回歸標(biāo)準(zhǔn)值;

  • 靈敏度補(bǔ)償:串聯(lián) “精密電阻”,修正不同傳感器之間的靈敏度差異,確保同一型號(hào)傳感器在相同力值下輸出一致的信號(hào)。

這些補(bǔ)償元件在結(jié)構(gòu)原理圖中雖體積小,但卻是荷重傳感器實(shí)現(xiàn) “高精度測(cè)量”(通常精度可達(dá) 0.01%~0.1% FS)的關(guān)鍵,若缺少補(bǔ)償系統(tǒng),傳感器在溫度變化或長(zhǎng)期使用后,測(cè)量誤差會(huì)顯著增大。
4. 信號(hào)輸出接口:電學(xué)信號(hào)的 “對(duì)外傳輸通道”
在結(jié)構(gòu)原理圖的末端,通常標(biāo)注有 “信號(hào)輸出端子”(如 4 線制或 6 線制接口),由導(dǎo)線連接應(yīng)變片橋路與外部設(shè)備(如稱(chēng)重儀表、PLC),功能是將橋路產(chǎn)生的 “毫伏級(jí)電壓信號(hào)” 傳輸?shù)酵獠肯到y(tǒng)進(jìn)行處理。
從原理圖可見(jiàn),信號(hào)輸出接口的電路連接遵循 “惠斯通電橋” 邏輯:4 片應(yīng)變片組成橋路的 4 個(gè)臂,橋路兩端接入穩(wěn)定的直流電源(如 5V、10V),另外兩端為信號(hào)輸出端 —— 無(wú)外力時(shí),橋路平衡,輸出電壓為 0;有外力時(shí),應(yīng)變片電阻變化打破平衡,輸出與力值成正比的毫伏級(jí)電壓信號(hào)(如滿量程力值對(duì)應(yīng) 20mV 輸出)。
部分高精度荷重傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖中,還會(huì)增加 “信號(hào)放大模塊”(集成運(yùn)算放大器),將毫伏級(jí)信號(hào)放大為伏級(jí)信號(hào)(如 0~5V),減少傳輸過(guò)程中的干擾,適配更多外部設(shè)備。
二、荷重傳感器結(jié)構(gòu)原理圖的工作流程:力→電的 5 步轉(zhuǎn)化
結(jié)合結(jié)構(gòu)原理圖的各組成部分,荷重傳感器的完整工作流程可通過(guò) “力的輸入→形變→電阻變化→電壓信號(hào)→輸出”5 個(gè)步驟清晰呈現(xiàn),每一步均對(duì)應(yīng)原理圖中的特定結(jié)構(gòu):
步驟 1:力的輸入與傳遞(彈性體受力)
外部力(如被測(cè)物體的重量 F)作用于彈性體的受力接口(如 S 型傳感器的下端掛鉤),彈性體通過(guò)自身結(jié)構(gòu)將力均勻傳遞到形變敏感區(qū)(細(xì)頸段),此時(shí)原理圖中彈性體的敏感區(qū)開(kāi)始產(chǎn)生微小形變(拉伸或壓縮),形變程度 ΔL 與力值 F 成正比(F=k×ΔL,k 為彈性體的剛度系數(shù))。
步驟 2:應(yīng)變片感知形變(電阻變化)
貼附在彈性體敏感區(qū)的 4 片應(yīng)變片隨彈性體一起形變:位于受拉區(qū)的 2 片應(yīng)變片被拉伸,電阻值 R 增大(ΔR>0);位于受壓區(qū)的 2 片應(yīng)變片被壓縮,電阻值 R 減?。é<0)。根據(jù)應(yīng)變效應(yīng),電阻變化量 ΔR/R 與彈性體的形變量 ΔL/L(應(yīng)變 ε)成正比,即 ΔR/R=K×ε(K 為應(yīng)變片靈敏系數(shù),通常為 2~4)。
步驟 3:惠斯通電橋轉(zhuǎn)化(電壓信號(hào)產(chǎn)生)
在原理圖的橋路電路中,4 片應(yīng)變片組成的全橋電路接入直流電源 Uin。無(wú)外力時(shí),4 片應(yīng)變片電阻相等(R1=R2=R3=R4),橋路平衡,輸出電壓 Uout=0;有外力時(shí),R1、R3 增大,R2、R4 減小,橋路失衡,輸出電壓 Uout 與電阻變化量成正比,公式為 Uout=Uin×(ΔR/R)/4,最終轉(zhuǎn)化為與力值 F 線性相關(guān)的毫伏級(jí)電壓信號(hào)。
步驟 4:補(bǔ)償元件修正誤差(精度校準(zhǔn))
原理圖中的補(bǔ)償元件(溫度補(bǔ)償電阻、零點(diǎn)補(bǔ)償電阻)實(shí)時(shí)工作:若環(huán)境溫度升高導(dǎo)致應(yīng)變片電阻漂移,溫度補(bǔ)償電阻會(huì)反向調(diào)節(jié)橋路電流,抵消漂移影響;若存在零點(diǎn)偏差,零點(diǎn)補(bǔ)償電阻會(huì)微調(diào)橋路平衡,確保無(wú)外力時(shí) Uout=0,最終輸出精準(zhǔn)的電壓信號(hào)。
步驟 5:信號(hào)輸出與應(yīng)用(對(duì)外傳輸)
經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的電壓信號(hào)通過(guò)原理圖末端的信號(hào)輸出接口,傳輸?shù)酵獠糠Q(chēng)重儀表或控制系統(tǒng)。外部設(shè)備將毫伏級(jí)信號(hào)進(jìn)一步放大、AD 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),最終顯示為力值(如 “500kg”),或用于工業(yè)控制(如當(dāng)力值達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)觸發(fā)報(bào)警、停機(jī)等動(dòng)作)。
三、結(jié)構(gòu)原理圖的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn):影響傳感器性能的核心因素
從荷重傳感器結(jié)構(gòu)原理圖中,可直觀看到影響其性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)細(xì)節(jié):
  • 彈性體材質(zhì):原理圖中標(biāo)注的 “40CrNiMoA” 等合金材料,決定了傳感器的量程與穩(wěn)定性 —— 高強(qiáng)度材料可承受更大力值,低彈性滯后材料能減少測(cè)量誤差;

  • 應(yīng)變片貼附位置:必須貼在彈性體的 “形變敏感區(qū)”(如細(xì)頸段、梁的上下表面),且需對(duì)稱(chēng)貼附,否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真;

  • 橋路設(shè)計(jì):全橋電路(4 片應(yīng)變片)比半橋電路(2 片應(yīng)變片)靈敏度更高、抗干擾能力更強(qiáng),因此高精度傳感器的原理圖中均采用全橋設(shè)計(jì);

  • 防護(hù)結(jié)構(gòu):部分原理圖中會(huì)標(biāo)注 “密封膠、防護(hù)外殼”,用于隔離粉塵、水汽,避免應(yīng)變片與補(bǔ)償元件受潮損壞,延長(zhǎng)傳感器壽命。

理解這些設(shè)計(jì)要點(diǎn),不僅能看懂結(jié)構(gòu)原理圖,更能根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的荷重傳感器 —— 例如潮濕環(huán)境需選擇帶密封防護(hù)的傳感器,高精度場(chǎng)景需選擇全橋設(shè)計(jì)的傳感器。

LCZ-104C

LCZ-104C荷重傳感器


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