幾種稱重傳感器技術(shù)特性及應(yīng)用分析

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)，即傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技
術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。信息采集系統(tǒng)的首要部件是傳感器，
且置于系統(tǒng)的zui前端。在一個(gè)現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，如果沒(méi)有傳感器，就無(wú)法監(jiān)測(cè)與控制表征生產(chǎn)
過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的各種參量，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器實(shí)際上是現(xiàn)代測(cè)試技
術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)。 
稱重傳感器被稱為電子衡器中的核心部件?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，由稱重傳感器組裝的電子衡
器也已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確稱量。特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工
業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度不斷提高，稱重傳感器已成為某些過(guò)程控制中的一種必需的部件，目前，稱
重傳感器幾乎運(yùn)用到了各行各業(yè)。 
稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法通常分為電阻應(yīng)變式、電磁力式、光電式、電容式、液壓式、振動(dòng)式、
磁極變形式、陀螺儀式、光纖光柵式 9 大類，以電阻應(yīng)變式使用zui廣。下面是幾種常用的稱重傳感
器的工作原理、特性及優(yōu)劣比較。 
一、電阻應(yīng)變式稱重傳感器 
以金屬材料為轉(zhuǎn)換組件的電阻應(yīng)變計(jì)，其轉(zhuǎn)換原理是基于金屬電阻絲的電阻——應(yīng)變效應(yīng)。所謂
應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體（電阻絲）的電阻值隨變形（伸長(zhǎng)或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象（圖 1）。 
金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：R=ρ△L/△S 
式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2
/m） 
S——導(dǎo)體的截面積（cm2） 
L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m） 
電阻應(yīng)變片式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理： 
 
圖 1 
楊青鋒  
彈性體（彈性組件）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片（圖 2）也隨同產(chǎn)
生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)過(guò)惠斯通電橋（圖 3）把這
一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。 
 
圖 2 圖 3 
電阻應(yīng)變式稱重傳感器的稱量范圍為幾十克至數(shù)千噸，計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá) 1/1000～1/10000，以其
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，工作可靠，為大部分電子衡器所使用。電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，
測(cè)量范圍廣，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和
品種多樣化等。它的缺點(diǎn)是存在機(jī)械滯后、蠕變和零漂、應(yīng)變極限，對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、
輸出信號(hào)較弱，但是可通過(guò)一定措施改進(jìn)。電阻應(yīng)變式稱重傳感器是稱重傳感器中應(yīng)用的zui廣泛的
一種，對(duì)其特性研究也是zui多的。 
二、電磁力平衡稱重傳感器 
電磁力平衡傳感器的稱重過(guò)程基于安培力實(shí)現(xiàn)。通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的作用力如圖 4 所示。
在導(dǎo)線上加上秤盤，秤盤及導(dǎo)線本身具備的重力方向朝下，而通電導(dǎo)線受到向上的電磁力，當(dāng)通過(guò)
導(dǎo)線的電流值達(dá)到某一值時(shí)，這兩個(gè)力互相平衡，此時(shí)傳感器就處于平衡狀態(tài)即可確定被測(cè)物重量。
電磁力平衡傳感器依靠載流線圈在恒定直流磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電磁力與被測(cè)質(zhì)量的重力平衡，實(shí)現(xiàn)被測(cè)
質(zhì)量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換。 
 
圖 4  
電磁力平衡稱重傳感器是一種高精度傳感器，精度可達(dá) 1/2000～1/60000，但稱量范圍僅在幾
十毫克至十千克之間，廣泛用于電子分析天平，是精密質(zhì)量稱量的常用傳感器。由于測(cè)量分辨率高、
靈敏可靠、價(jià)格適宜,在精密質(zhì)量稱量、化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)、加速度測(cè)量、水分檢測(cè)等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越
多的應(yīng)用。為減小傳感器的體積，簡(jiǎn)化傳感器的制造工藝，降低制造成本，電磁力平衡傳感器的恒
定直流磁場(chǎng)采用*磁鐵。*磁鐵作為電磁力平衡傳感器的永磁體，其磁性能的穩(wěn)定性直接影響
電磁力平衡傳感器的精度。 
電磁力平衡式傳感器是一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，對(duì)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(shù)。這種高精度的電子稱重裝置由于其*的工作原理和工
藝水平，精度非常高，主要用于市場(chǎng)。例如用高強(qiáng)度航空鋁合金材料通過(guò)高精度電火花切割加
工而成的單模塊傳感器，瑞士梅特勒-托利多集團(tuán)和德國(guó)賽托利斯都有該項(xiàng)技術(shù)，它將傳統(tǒng)的
電磁力平衡式傳感器中的杠桿、上下導(dǎo)桿、底座以及簧片等多個(gè)零部件融為一體。由于內(nèi)部無(wú)連接
螺絲，從而大大提高其可靠性，同時(shí)的機(jī)械傳輸性能和扭力保護(hù)，提高了其使用壽命。 
三、電容式稱重傳感器 
電容式稱重傳感器是一種把被測(cè)的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的
敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器，其zui常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)
的電容器（圖 5）。它利用電容器振蕩電路的振蕩頻率 f 與極板間距 δ 的正比例關(guān)系工作。若忽略邊
緣效應(yīng)，平板電容器的電容為 
C=εA/δ 
 
 
圖 5 
式中 ε 為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，A 為兩電極互相覆蓋的有效面積，δ 為兩電極之間的距離。δ、
A、ε 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。因此電容式傳感器可分為極
距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。極距變化型一般用來(lái)測(cè)量微小的線位移或由于力、壓力、
振動(dòng)等引起的極距變化。 
電容式稱重傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，靈敏度高，過(guò)載能力強(qiáng)，耗電量少，造價(jià)低， 
準(zhǔn)確度一般為 1/200～1/500，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等。缺
點(diǎn)是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大等。由于電阻應(yīng)變式稱重
傳感器無(wú)法做成超高溫或在超高溫環(huán)境故障率非常高，所以在許多超高溫環(huán)境對(duì)稱量精度要求不高
或只為起到安全過(guò)載保護(hù)的作用時(shí)通常使用電容式稱重傳感器具有一定優(yōu)勢(shì)，譬如煉鋼廠所使用的
部分高溫吊鉤秤。此類傳感器目前應(yīng)用非常。 
四、光電式稱重傳感器 
光電式傳感器包括光柵式和碼盤式兩種。 
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(zhuǎn)換成光電信號(hào)。光柵有兩塊，一個(gè)
光柵裝在表盤軸上可移動(dòng)，另一塊光柵固定。加載后，傳力杠桿帶動(dòng)使表盤軸旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)移動(dòng)光
柵轉(zhuǎn)動(dòng)，莫爾條紋也隨之移動(dòng)。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表，計(jì)算移過(guò)的莫爾條紋數(shù)量，測(cè)
出光柵轉(zhuǎn)動(dòng)角的大小，從而確定和讀出被測(cè)物質(zhì)量。 
碼盤式傳感器的碼盤（符號(hào)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。加載后，通過(guò)杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)，碼盤也轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。光電池透過(guò)碼盤接
受光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電路進(jìn)行處理并得到測(cè)量結(jié)果。 
光電式傳感器曾主要用在機(jī)電結(jié)合秤上，具有穩(wěn)定工作、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可用于煤礦等
惡劣的工業(yè)環(huán)境，但是運(yùn)行速度低，不能滿足高速稱重的要求。近年來(lái)由于電阻應(yīng)變式稱重傳感器
的技術(shù)日趨成熟，此類傳感器已基本沒(méi)有在應(yīng)用，作為曾經(jīng)的一個(gè)過(guò)渡產(chǎn)品已經(jīng)完成其使命，幾乎
退出市場(chǎng)。 
五、液壓式稱重傳感器 
液壓式稱重傳感器是指承受被測(cè)物重力時(shí)，液壓油壓力增大，增大的程度與物體重力成正比，
測(cè)出壓力的增大值，就可得到被測(cè)物的質(zhì)量。液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，測(cè)量范圍大，但準(zhǔn)確
度一般不到 1/1000，有時(shí)甚至連 1/100 也不到。目前主要應(yīng)用在對(duì)稱量要求精度不高或安全過(guò)載保
護(hù)方面的稱重測(cè)力場(chǎng)合，譬如裝載機(jī)秤。 
六、磁極變形式稱重傳感器 
磁極變形式稱重傳感器鐵磁組件在被測(cè)物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起導(dǎo)
磁率變化，使繞在鐵磁組件（磁極）兩側(cè)的次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓也隨之變化。測(cè)量出電壓的變化量
即可求出加到磁極上的力，進(jìn)而確定被測(cè)物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準(zhǔn)確度不高，一般為 1/100，
適用于大噸位稱量工作。幾乎在整個(gè)稱重傳感器市場(chǎng)沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用。 
七、振動(dòng)式稱重傳感器 
彈性組件受力后，其固有振動(dòng)頻率與作用力的平方根成正比。測(cè)出固有頻率的變化，即可求出
被測(cè)物作用在彈性組件上的力，進(jìn)而求出其質(zhì)量。振動(dòng)式傳感器有振弦式和音叉式兩種。 
振弦式傳感器的彈性組件是弦絲。當(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，V 形弦絲的交點(diǎn)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(cè)物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準(zhǔn)確度較高，可達(dá) 1/1000～1/10000，稱量范圍為 100 克至 
幾百千克，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，造價(jià)高。 
音叉式傳感器的彈性組件是音叉。音叉端部固定有壓電組件，它以音叉的固有頻率振蕩，并可
測(cè)出振蕩頻率。當(dāng)承重臺(tái)上加有被測(cè)物時(shí)，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(cè)出固有頻率的變化，即可求出重物施加于音叉上的力，進(jìn)而求出重物質(zhì)量。
音叉式傳感器耗電量小，計(jì)量準(zhǔn)確度高達(dá) 1/10000～1/200000，稱量范圍為 500g～10kg。 
八、陀螺儀式稱重傳感器 
從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)方向支點(diǎn)，
而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)
動(dòng)。更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的
自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。 
陀螺儀的基本部件有： 
（1）陀螺轉(zhuǎn)子（常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來(lái)使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)
軸高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速近似為常值）； 
（2）內(nèi)、外框架（或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu)）； 
（3）附件（是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等）。 
如圖所示，轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中，以角速度 ω 繞 X 軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。內(nèi)框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接，
并可繞水平軸 Y 傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)。外框架經(jīng)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)與機(jī)座聯(lián)接，并可繞垂直軸 Z 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸（X
軸）在未受外力作用時(shí)保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力（P/2）作用時(shí)，產(chǎn)生傾斜而繞垂
直軸 Z 轉(zhuǎn)動(dòng)（進(jìn)動(dòng)）。進(jìn)動(dòng)角速度 ω 與外力 P/2 成正比，通過(guò)檢測(cè)頻率的方法測(cè)出 ω，即可求出外
力大小，進(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測(cè)物的質(zhì)量。 
 
 
圖 6 
陀螺儀式傳感器響應(yīng)速度快（5 秒），無(wú)滯后現(xiàn)象，溫度特性好（3ppm），振動(dòng)影響小，頻率測(cè)
量準(zhǔn)確高，故可得到高的分辨率（1/100000）和高的計(jì)量準(zhǔn)確度（1/30000～1/60000）。 
九、光纖光柵式稱重傳感器  
光纖光柵傳感器（Fiber Grating Sensor）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過(guò)程是
通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳
感器，光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變等物理量的直接測(cè)量。由于光纖光柵波長(zhǎng)對(duì)溫度與應(yīng)
變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)，使得通過(guò)測(cè)量光纖光柵耦合波長(zhǎng)移動(dòng)
無(wú)法對(duì)溫度與應(yīng)變加以區(qū)分。因此，解決交叉敏感問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)力的區(qū)分測(cè)量是傳感器實(shí)用
化的前提。通過(guò)一定的技術(shù)來(lái)測(cè)定應(yīng)力和溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)力區(qū)分測(cè)量。這些技術(shù)的基本
原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應(yīng)變響應(yīng)靈敏度的光纖光柵構(gòu)成雙光柵溫度與應(yīng)變傳
感器，通過(guò)確定 2 個(gè)光纖光柵的溫度與應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)，利用 2 個(gè)二元一次方程解出溫度與應(yīng)
變。 
實(shí)驗(yàn)中所使用的光纖光柵均為 Bragg 光纖光柵，其折射率調(diào)制周期是均勻的，故滿足 Bragg 條
件，即
B
λ
=2
eff n ?Λ。式中：
B
λ
為 Bragg 波長(zhǎng)；
eff n
為光柵有效折射率（折射率調(diào)制幅度大小的平
均效應(yīng)）；Λ 為光柵周期（折射率調(diào)制的空間周期）。 
當(dāng)作用于光纖光柵的被測(cè)物理量（如溫度,應(yīng)力等）發(fā)生變化時(shí)，將引起
eff n
和 Λ 的相應(yīng)改變，
從而導(dǎo)致
B
λ
的漂移。反過(guò)來(lái),通過(guò)檢測(cè)
B
λ
的漂移，即可得知被測(cè)物理量的信息。光纖 Bragg 光柵傳
感器的研究工作主要集中在溫度和應(yīng)力的準(zhǔn)分布式測(cè)量上。溫度和應(yīng)力的變化所引起的
B
λ
的漂移
可表示為 
? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? P P P T B KT T K?
T
B ? ? ?
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n
d
d
-
2
n
2n 1-
n
12 11 12
2
 
式中
?
為應(yīng)力，
Pij
為光壓系數(shù)；υ 為橫向變型系數(shù)（泊松比），?
為熱漲系數(shù)，ΔT 為溫度的變
化量；由上式可知，在排除或者忽略溫度變化影響的時(shí)候，光纖光柵 Bragg 波長(zhǎng)的變化僅與應(yīng)力的
變化相關(guān)，且是成正比的，根據(jù)這一原理即可利用光纖光柵來(lái)測(cè)量力的變化。 
光纖光柵式稱重傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)： 
（1）抗電磁干擾能力強(qiáng)，一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不
受電磁干擾的影響。 
（2）電絕緣性能好，安全可靠，光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無(wú)需電源驅(qū)動(dòng)，因此適宜
于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。 
（3）耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定，由于制作光纖的材料一石英具有*的化學(xué)穩(wěn)定性，因此光纖
傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。 
（4）體積小、重量輕，幾何形狀可塑。 
（5）傳輸損耗小，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測(cè)。 
（6）傳輸容量大，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測(cè)量。 
（7）測(cè)量范圍廣，可測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位等。  
就目前而言，光纖光柵式稱重傳感器大多還處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，國(guó)內(nèi)外在這方面都有報(bào)道，
德國(guó) HBM 公司已經(jīng)擁有基于光纖光柵的光學(xué)應(yīng)變計(jì)，且成功應(yīng)用在 DB Minden 公司鐵路車輛測(cè)試
中。