称重传感器基础知识

称重传感器测量的是力，而力的类型（压力或拉力）决定了设计、安装和应用的选择。

压力式称重传感器测量的是负载推向传感器时产生的压缩力。这通常见于卡车和工业平台秤或罐秤中，其中称重传感器安装在结构或平台下方。

优点：

• 安装简单，适用于静态负载
• 提供高量程选项

误差风险：

• 负载分布不均

拉力式称重传感器测量的是负载从传感器拉开时产生的拉力。起重机秤监测和缆索张力测量是这类称重传感器的常见应用，其中称重传感器与负载路径成一线排列。

优点：

• 适用于悬挂负载
• 可测量提升系统中的动态力

误差风险：

• 侧向负载或错位

组合式称重传感器可同时测量拉力和压力。这些传感器可用于测试机器或材料。

用于扭矩测量的称重传感器更为复杂，因为扭矩传感器（旋转式称重传感器）测量的是扭转变形引起的剪切应变，而非单一的轴向力。当以45°角粘贴在轴上时，一个应变片承受拉力，而对角线上的另一个则承受压力。在这种情况下，应变电桥利用相反的应变产生一个与扭矩成正比的差分信号。

选择正确的称重传感器外形尺寸，始于确定应用所需的力类型。每种力类型都倾向于特定的几何结构和传感技术，这些技术和结构影响着精度、安装复杂性以及对静态或动态负载的适用性。

静态测量适用于随时间保持恒定或变化非常缓慢的负载。例如卡车地磅和测量固定罐体的称重传感器。相反，动态测量涉及由于运动、振动或冲击而快速变化的力。

经常测量这些动态负载的应用包括碰撞测试和机器人监测。区分静态和动态条件影响着称重传感器的选择、信号调理和精度要求。静态应用优先考虑长期稳定性和最小的蠕变，而动态应用则需要快速的响应、高的固有频率以及有效的噪声滤波，以准确捕捉瞬态力。

动态负载应用不仅需要高速传感，还需要仔细关注延迟和机械顺从性。延迟是力变化与传感器输出之间的时间差，它会影响快速移动系统中的实时控制和峰值检测。机械顺从性指的是负载路径中的柔性，这种柔性会吸收能量、减慢稳定时间，并在快速负载变化下扭曲测量结果。要实现精确的高带宽性能，就必须尽量减少两者的影响。

称重传感器旨在测量力，但根据应用的复杂程度，可能需要单轴或多轴传感器。理解它们之间的差异并知道何时使用哪一种，对实施成功有着重大影响。

准确度和精度都是衡量称重传感器性能的关键指标，但它们代表了测量质量的不同维度。

• 准确度描述的是测量输出值与所施加负载的实际值之间的误差量。
• 精度指的是在相同条件下测量结果的可重复性，而不考虑这些结果与真实值的接近程度。

示例：

• 如果施加一个100磅的力，而称重传感器读数为99.9磅，则被认为是高准确度。
• 重复测量结果在100.1磅到99.6磅之间，则被认为是高准确度和高精度。
• 重复测量结果在101.5磅到98.0磅之间，则被认为既不准确也不精确。

必须考虑称重传感器应用的全部工作温度范围。大幅度的温度波动会导致热漂移和零点漂移，从而降低准确性。  户外称重或航空航天系统等应用需要具有温度补偿或气候控制外壳的传感器。

解决耐腐蚀问题对于称重传感器的耐用性和可靠性非常重要。这在户外环境或条件恶劣的区域尤其重要。密封封装、IP等级外壳和特种材料通常可以提供出色的保护。材料选择对于减轻潜在的腐蚀也很重要。

称重传感器本体：称重传感器本体通常是最脆弱的部件，因为它经常直接接触湿气、化学品、盐雾或酸性环境。

• 高合金不锈钢可为要求最苛刻的应用提供高耐腐蚀性。
• 硬质阳极氧化铝常用于需要中等耐腐蚀性的轻量化系统。
• 保护性涂层或电镀也能增强称重传感器本体表面的耐久性。

应变片：湿气侵入是应变片面临的一个严重风险因素。腐蚀对这些组件的运行影响巨大。

• 应变片腔室的密封封装可以为应变片提供一定程度的保护。
• 环氧树脂灌封也能提供防护。
• 玻璃-金属密封件用于此目的也非常有效。

电气连接器：由于湿度或化学品暴露导致的连接点腐蚀会严重影响传感器的可靠性和准确性。可以通过以下几种方法来降低这些风险。

• 使用带有防水护套的屏蔽电缆可以防止湿气侵入连接点。
• 可以选用IP等级的连接器用于密封接口，以最大程度降低腐蚀风险。

 
粘合胶：用于将应变片粘合到本体的胶粘剂会随时间推移而退化，存在显著的腐蚀风险。如果其耐受性针对应用特定的恶劣环境，那么专为耐化学品和耐热性设计的性能粘合胶会非常有效。

电磁干扰会导致敏感称重传感器电路中的信号漂移、噪声或故障。在选择称重传感器时，考虑对电磁干扰 (EMI)、射频干扰 (RFI) 和静电放电 (ESD) 的保护非常重要。以下措施可以提高信号安全性、延长称重传感器寿命并确保符合行业标准。

• 屏蔽电缆：使用带编织或箔屏蔽的双绞线，并在单端接地，能有效防止信号线中的干扰。
• 法拉第笼：带有导电密封件的金属外壳可作为法拉第笼来阻挡外部电磁干扰/射频干扰。
• 滤波器：在信号线和电源线上使用铁氧体磁珠、电容器和低通滤波器来抑制高频噪声和电压尖峰。
• 接地：正确接地称重传感器本体、电缆屏蔽层和信号处理设备，为杂散电流和静电放电提供低阻抗路径。 
• ESD保护电路：在输入/输出线上使用TVS（瞬态电压抑制）二极管或ESD抑制器可以显著降低静电放电损坏的风险。
• 电气隔离：在信号调理模块中使用基于光耦或变压器的隔离，可以防止称重传感器与数据采集系统之间的传导干扰。
• PCB最佳实践：使用受控阻抗走线、接地层和模拟/数字路径分离有助于最小化内部EMI和串扰。

对于移动、汽车、航空航天和工业机械应用，必须确保在承受机械冲击和振动时不会降低称重传感器性能。在这些应用中，应在可行的情况下实施加固设计或振动阻尼特性。