【硬件电路设计】称重传感器应用,五大注意事项解析

1、背景

今年称重传感器在各项目上陆续展开使用，不过遇到一些问题，比如调值等问题，所以这就要求我们对传感器特性等参数有进一步的了解；才有可能解决这些问题。以下就从基本原理、性能参数、实际运用，遇到的问题，加上自己浅薄的认知，给大家分享一下。

2、基本原理

3.1双孔梁应变压力传感器：

模型图

当有重物压在传感器的作用点时，4个应变片（R1、R2、R3、R4）会有不同的形变，R2、R3受压缩力，R1、R4受拉伸力。

3.2应变效应：

（上图应变片）电阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”.

根据应变效应将应变片粘贴于被测材料上，被测材料受到外界作用产生的应变就会传送到应变片上，使应变片的电阻值发生变化；通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测机械量的大小。

上图显示了一个金属丝的受力之后，长度和横截面积发生了变化，电阻对应也发生变化。

3.2桥式电路：

在《电路》这本书中，我们学过利用惠斯通电桥测量电阻的阻值。这里原理基本类似，也是利用桥式电路原理，我们需要测的是电压差信号。通过测量电压差信号，后续通过信号放大，ADC采集，经过一系列换算、标定等转换成我们需要的重量单位。这里我们不再详细讲解电路和论证过程，这次重点偏传感器的应用注意事项。

3、参数

3.1基本参数：

当我们看到传感器有这些参数时，我们根据需求，先关注哪些重点。个人觉得在满足需求的情况下，也要兼顾成本的因素，不然后续再有降本需求，选型工作还要再重复做一次。在第一次选型的时候，也要把实际应用的场景情况，尽可能全的考虑进去，后续才能确保模块设计出来，少一点故障率。

以下以一个传感器参数表，我们拿来举例说明：

3.2重点注意参数：

1. 额定载荷（量程） :

量程是传感器选择的基础，一般情况下，选择常规称重传感器要选择称量物料的重量要在传感器量程的百分之三十至七十之间，在这范围空间，称量结构基本上不会有太大问题。但是如果称量过程中有较大冲击的话，建议选择量程（物料称重）的百分之二十到三十之间。

案例1：

某项目，原来清洗液模块是10L的桶，约10kg，加上托盘还有管路、纸箱子重量、装配应力等，实际作用在传感器上的可能是15kg以上。我这边选型的时候，用了4个5kg的传感器（理论承受20kg）。用时间长了，有的模块就会发生一个问题，称出来的物体会比实际重一点，比如3kg，可能会显示3.5kg。这里的问题点就是设计余量不够了。在实际医院使用的时候，由于10L的清洗液桶，市斤20，和一袋大米一样重，那基本上医院检验科女老师比较多，大多数提不动，那放下去的时候，就有可能砸下去。这样对应传感器就会有较大的冲击载荷。后来我这边经过设计更改，将4个5kg，改成4个20kg量程的（理论承受80kg）。这样同步做了冲击实验，在8cm的高度，10L清洗液纸箱子，重复做自由落体冲击实验，结果对于模块没有产生影响，称量也没有产生偏移。

案例2：

某项目，第一点，夹爪将试管托盘放回底盘的时候，容易蹭到底部黑色托盘的边缘（能听到清脆的撞击声音，间隙很小，从离心机抓回来的时候，位置不完全是正的），这个对传感器是个冲击载荷，是有影响的。第二点，夹爪电机会在放回底盘的基础上，还会多走几步数，这样就会对传感器产生一个硬挤压力，也可以理解成一个冲击载荷。在了解到这个问题之后，做了相应的软件的改进，Z轴电机步数不再多走，理论上没有了硬挤压力，减少冲击载荷，于是解决了传感器用一段时间会产生（重量）集体偏移的情况。

1. 精度

首先，我们来说说传感器精度，在国标GB/T 7551-2008中，把传感器划分为A、B、C、D四个精度等级标准，A级最高，D级最小。

其中，我们常用到的是C级，C级又区分
C1/C2/C3/C4/C5/C6/C7/C8/C9/C10

C1意思1000分度数、C2是2000分度数、C3是3000分度数

一般贸易计量中使用的称重传感器需要达到C3级。即是3000分度。 检定分度值是指传感器的测量范围被等分成检定分度数的份数的质量值。

举例：1只3000KG的传感器，假定它的检定分度数是3000，那么它的检定分度值就是1kg。假定它的检定分度数是2000，那么他的检定分度值就是1.5kg。

假定在3000的检定分度下，这个传感器达到了国标的各项要求，那么这个传感器的级别就是C3级。

精度根据各项目需求，结合实际情况，选取传感器型号，精度高的价格也想多较高。

1. 综合误差

综合误差包括温度效应，线性误差和滞后。
表格中按照精度等级分为C3、C4、C5；综合误差分别±0.02、±0.15、±0.01，单位（%FS）

例如：针对表格这一系列传感器而言，量程10kg的传感器，精度C3，综合误差应该是±2g。

1. 关于蠕变:

蠕变和蠕变恢复是衡器产品中两个重要的性能，在科技大词典中指出：蠕变是指金属材 料在恒定温度和恒定应力的长期作用下，随着时间的延长，材料会慢慢地发生塑性变形的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。
由于蠕变，材料在某瞬时的应力状态，一般不仅与该瞬时的变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。目前我国大部分电子衡器产品都是金属结构，均涉及蠕变问题。在维持恒定变形的材料中，应力会随时间的增长而减小，这种现象为应力松弛，它可理解为一种广义的蠕变。

以下内容截取《电阻应变传感器的补偿技术》论文内容，参考图示，便于理解。

在设计当中，既然蠕变是传感器固有属性，无法消除；那我们只能想办法较小这种影响。

案例1：

SH200项目，试管托盘+底座一直有一个800多g的重力压在传感器上面，从理论上来讲，这个传感器会产生蠕变，影响我最终放试管之后的重量的获取判断。最轻的试管重量是3g，那么对这个称重的精度要求是1g，才能判断是否正常放了一个试管上去。那么这里采取的是“去皮”的操作，就是在放试管之前读取当前的重量，在夹爪放了一个试管之后再读取一次重量，然后做减法，简单点说就是取增量。这样可以较小蠕变效应带来的影响。

（试管托盘）

1. 传感器稳态时间:

关于传感器在加载或者卸载之后，传感器是何时能达到测量的真实值，并且达到一个稳态，这个其实没有在传感器参数里面具取体现。关于这类的研究并不是很多，可能是这个指标对市场上产品的影响不大，称量一个物品，等个2、3秒钟时间范围，可以接受的。而我们我这边由于仪器流程，时间片的原因，不能等待那么长时间，需要精确到ms级别的。

案例1：

某项目，每次初始化流程要对试管托盘进行“去皮”操作，就是将托盘夹起来，称一下重量，托盘放下去，再称一下重量。前后重量相减，获取试管托盘重量是否在合理范围内。那么问题来看，在夹爪放下托盘，或者夹上来，何时读取重量，才是真实值呢？

这里某项目组成员做了以下实验，抓取了全流程的数据

夹爪抓取试管托盘回Z轴原点，然后再将试管托盘放下，详细动作如下图所示

实验结论：测试了多组数据：传感器重量稳定最长时间：643ms

改进措施：代码中Z轴升到原点时间:423ms，增加了升到原点后称重延时读取:300ms，总时间723ms，大于传感器的重量稳定的最长时间，这样我们可以获取 一个稳定的真实的重量值。

总结

传感器选型是硬件选型比较重要的工作，需要从各个综合角度考虑问题。在实际应用中，肯定会遇到各种麻烦，所以需要我们不断摸索，发现问题的本质，找到解决思路。思考的角度，可以不仅从硬件本身，还要从系统全面的角度去考虑，才有可能找到一个相对合理的解决方案。

1：张志通《电阻应变传感器的补偿技术》，北华航天工业学院学报，第19卷第1期

2009年2月