传感器行业的“福音” 传感器是如何工作的

传感器行业的“福音” 根据国家标准GB7665-87，传感器定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件装置。传感器作为检测工具，要求检测研究对象的物理或化学的信息，需要其具有适应恶劣环境能力强及稳定性和可靠性高的特点，根据传感器的以上特点，就要求对传感器的加工需要做到稳定、可靠、精度高。而传统的加工工艺难以达到要求，将传感器行业带入了困境！现在，一种新的加工工艺诞生了――激光技术，给传感器行业带来了福音. 激光技术解决了传感器在打标、焊接、调阻方面的问题. 激光打标的基本原理是，由激光发生器生成高能量的连续激光光束，当激光作用于承印材料时，处于基态的原子跃迁到较高能量状态；处于较高能量状态的原子是不稳定的，会很快回到基态，当原子返回基态时，会以光子或量子的形式释放出额外的能量，并由光能转换为热能，使表面材料瞬间熔融，甚至气化，从而形成图文标记。使用激光打标，效率高、精度高、成本低，且标记永久不可磨灭，增强其可追溯性. 激光焊接机是应用激光器产生的波长为1064nm的脉冲激光经过扩束、反射、聚焦后辐射加工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过数字化精确控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池，从而实现对被加工件的激光焊接。　激光用来封焊传感器金属外壳是目前一种先进的加工工艺方法。使用激光焊接，具有焊点美观牢固、热影响区小、效率高、焊接成本低等特点. 激光调阻是由计算机控制激光的运动，利用高能量的激光脉冲作用于电阻材料上，电阻材料吸收光能后被迅速加热和汽化，材料被蒸发掉，在电阻上形成一个圆形斑点；当一连串部分重叠的激光脉冲打在电阻材料上就会形成一个切口，采用适当的切口形状和长度就可将电阻修调到设定的标称值。使用激光调阻加工精度高，重复精度好，具有速度快、效率高，易于实现整个加工过程自动化. 问题提出：

在衡器方案设计时，往往在确定准确度等级等指标后，不知如何选择传感器和称重仪表？有时自认为已正确选择了称重传感器和称重仪表，但是在实际测试中，衡器的计量性能指标还是无法保证，请指教在传感器和仪表的选型中，有何诀窍？

问题解答：

在衡器方案设计时，往往确定衡器准确度等级后，需要掌握以下选择传感器和仪表的选型原则：

1．传感器和仪表的选型中与衡器相关的计量参数

（1）衡器的主要参数：最大秤量、最小秤量、准确度等级、最大检定分度数n、工作温度范围、承载器的静载荷、去皮重量等。

（2）衡器的误差分配系数：p1²+ p2²+ p3²+ p4²+ p5²……≤1

其中：p1、p2、p3、p4、p5…pi——衡器的误差分配因子，0.3≤pi≤0.8。

2．衡器最大秤量修正系数 Q

一般来说，衡器的最大秤量修正系数Q应大于1，主要是针对偏载（载荷的不均匀分布）、承载器的静载荷、初始置零范围及添加皮重可能产生的影响的考虑。

Q = (Max+ DL + ISZR + NUD + T+...) / Max

其中：Max ——衡器的最大秤量；
DL —— 承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定；
ISZR ——初始置零范围，一般为20% Max；
NUD ——承载器的载荷不均匀分布值。一般可以按典型结构的衡器进行假设。

·带杠杆及单传感器的衡器，或传感器对称排列的料斗，承载器上没有易造成偏载的装置 NUD = 0 %Max
·其它典型衡器NUD = 20%Max
·对于叉车秤，单轨吊秤及汽车衡NUD = 50％Max
·多秤台衡器，组合数固定 NUD = 50%Max（累计最大秤量）
·多秤台衡器，组合数是可变NUD = 50%Max（单秤台最大秤量）

T —— 衡器方案设计时按添加皮重法设计的重量值。

当然衡器的最大秤量修正系数Q还可以根据不同衡器的实际使用状况，再分别加上冲击系数、超载系数、风压系数等。

3．称重传感器选型

3.1 准确度等级

准确度等级，包括称重传感器（LC）温度范围及湿热稳定和蠕变指标，必须满足衡器的要求。

*) 如果温度范围足够宽，并且湿热的稳定性和蠕变指标只能满足较低准确度等级要求。

3.2 传感器最大允许误差分配系数pLC

如果衡器系统设计时没有规定称重传感器的误差分配系数，那么pLC = 0.7。称重传感器的误差分配系数可以是0.3≤pLC≤0.8。

3.3 工作温度范围

如果衡器系统设计方案中没有规定称重传感器的工作温度范围，那么温度范围下限Tmin = -10℃及温度范围上限Tmax = 40℃。根据衡器系统设计方案，也可以对温度范围做出限定，但工作温度范围不得小于30℃。

3.4 传感器最大秤量

称重传感器的最大秤量Emax应满足下述条件：

Emax≥Q × Max × R / N

其中：Q ——衡器最大秤量修正系数；
Max——衡器的最大秤量；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
N —— 衡器传感器支撑点的数量。

3.5 传感器最小静载荷

因承载器所产生的最小载荷必须等于或大于称重传感器的最小静载荷Emin (许多称重传感器有Emin = 0)：

Emin≤DL×R / N

其中：Emin—— 传感器的最小静载荷；
DL —— 承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定。

3.6 传感器最大分度数nLC

（1）对于每只称重传感器，称重传感器的最大分度数nLC应不小于衡器的检定分度数 n：

nLC≥n

（2）对于多称量范围、多分度值衡器，下述要求适用于任何单独的称量范围或局部称重范围：

nLC≥ni

（3）传感器最小静载荷输出恢复DR

l 对于多称量范围衡器，同一传感器用于多于一个称量范围时，应满足条件：

DR×E / Emax≤ e1 ×R / N

或：DR / Emax ≤ e1 / Max

当DR未知时，应满足条件nLC≥0.4 ×Max r / e1。

·对于多分度值衡器，应满足条件：

DR ×E / Emax≤0.5 ×e1×R / N 即 DR / Emax £ 0.5 ×e1 / Max

其中：E = Max × R / N 是衡器加载至Max时加在单个称重传感器上的部分载荷。

当DR未知时，应满足条件nLC≥Max / e1。

3.7 传感器最小检定分度值

称重传感器最小检定分度值vmin不应大于衡器检定分度值e乘以载荷传递装置的缩比R，再除以称重

传感器数量N的平方根：

vmin ≤ e1 ×R /

对于多称量范围衡器，相同的传感器用于多于一个称量范围时，或多分度值衡器，e用e1代替。

3.8 传感器输入阻抗

传感器的输入电阻RLC 受到称重仪表的限制。RLC / N 必须满足称重仪表输入电阻范围RL min到RL max。

3.9 传感器额定输出

传感器在用Emax加载后，对应输入电压下的输出信号的变化一般采用 mV/V 表示。

为了更方便于计算，OIML R 60 中引入了下面的相对值：

Y = E max / v min
Z = E max / (2·DR)

4．称重仪表的选型

4.1 准确度等级

称重仪表准确度等级，包括温度范围及湿热稳定性指标，必须满足衡器的要求。

*) 如果温度范围足够宽，并且湿热的稳定性指标只能满足较低准确度等级的要求。

4.2 称重仪表的最大允许误差系数

如果衡器系统设计时没有规定称重仪表的最大允许误差系数，那么pind = 0.5。根据衡器系统设计要求，该系数可以为0.3≤pind ≤0.8。

4.3 工作温度范围

如果衡器系统设计时没有规定称重仪表的温度范围，那么温度范围下限值Tmin = -10℃，温度范围上限值Tmax = 40℃。根据衡器系统设计要求，可以对温度范围进行限制, 但工作温度范围不得小于30℃。

4.4 最大检定分度数

对于每台称重仪表，其最大分度数nind应不小于衡器的检定分度数n：

nind ≥ n

对于多称量范围或多分度值衡器，该要求适用于任何单独的称量范围或局部称重范围：

nind ≥ ni

如果可以用于多称量范围或多分度值衡器，这些功能必须包括在受检定的称重仪表中。

4.5 与衡器相关的称重仪表电气参数

Uexc (V) 称重传感器激励电压
Umin (mV) 称重仪表的正常最小输入电压
Δumin (mV) 称重仪表每个检定分度值的最小输入电压
UMRmin (mV) 称重仪表测量范围最低电压
UMRmax (mV) 称重仪表测量范围最高电压
RLmin (W) 连接传感器的最小输出阻抗
RLmax (W) 连接传感器的最大输出阻抗

4.6 称重仪表每个检定分度值的最小输入电压验算

(1) 称重仪表的正常最小输入电压(衡器空载) Umin验算

Umin = C×Uexc×R×DL /(Emax×N )

其中：Uexc—— 传感器的激励电压；
C —— 传感器的额定输出；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
DL —— 衡器承载器的静载荷，由衡器方案设计时确定；
Emax—— 传感器的最大秤量；
N—— 衡器传感器支撑点的数量。

(2) 称重仪表的每检定分度的最小输入电压Δumin验算

Δumin = C×Uexc×R×e /(Emax×N )

其中：C —— 传感器的额定输出；
Uexc—— 传感器的激励电压；
R —— 衡器载荷传递装置的缩比；
e —— 衡器检定分度值，对于多称量范围或多分度值衡器，e = e1；
Emax—— 传感器的最大秤量；
N—— 衡器传感器支撑点的数量。

5．连接电缆的选型

称重仪表与传感器或传感器接线盒（使用六线制的称重仪表应具有传感器反馈补偿功能）之间的附加电缆必须在称重仪表说明书中进行规定。

较为简单的方法是在称重仪表说明书中规定电缆材料（铜，铝等）的单位横截面(m/mm²)电缆长度的值。否则必须计算电缆长度(m)、截面积(mm2)、导电材料参数和每股芯线最大电阻(W)。

5.1 电缆电阻变化计算

应测量零点与最大载荷之间的量程。首先应计算衡器在最大工作温度范围内所对应的电缆电阻变化：

DRTemp = Rcable ×a × (Tmax – Tmin)

其中：DRTemp—— 最大工作温度范围所对应的电缆电阻变化（单位为Ω）；

Rcable ——单股电缆电阻值，Rcable = (r ×L) / A

其中：ρ ——材料的电阻率（例如铜：ρcopper = 0.0175Ωmm2/m）
L—— 电缆长度（单位为m）
A —— 单股电缆的横截面（单位为mm2）
a —— 电缆材料电阻率的温度系数1/K，例如：铜α=0.0039 1/K
Tmax – Tmin ——最大使用温度范围

5.2 电缆温度影响引起的称量变化

为了确定温度对电缆影响引起的称量变化限值，应考虑对称重仪表温度试验的结果。温度引起的最大称量误差不应大于衡器最大允许误差绝对值乘以pi的三分之一。

Dspan(DT) ≤ pi × mpe - Emax(DT)

其中：Dspan(DT) —— 温度变化对电缆影响引起的称量变化值。Dspan(DT) 必须满足以下条件：

Dspan(DT) ≤ 1/3 (pi ×| mpe|)

如果称重仪表不能满足这些条件，电缆最大电阻即电缆最大长度必须减少，或者必须选择大的横截面电缆。应对称重仪表与称重传感器或称重传感器接线盒之间的附加电缆（只适用于使用六线制系统的称重仪表，例如反馈补偿系统）做下列规定：

材料（铜、铝等）、长度（m）、截面积（mm2）、或材料（铜、铝等）固定后规定的电缆长度(m/mm2)、或每路电缆的最大电阻。

6．称重仪表、称重传感器兼容性设计选型实例——汽车衡

（4）兼容性检查（实例）

1) 称重传感器(LC)、称重仪表(IND) 与衡器(WI)的准确度等级

物位传感器可分两类：一类是持续丈量物位变更的持续式物位传感器；另一类是以点测为目标的开关式物位传感器即物位开关。
       现在，开关式物位传感器比持续式物位传感器利用得广。它重要用于进程主动把持的门限、溢流跟空转避免等。持续式物位传感器重要用于持续把持跟堆栈治理等方面，偶然也可用于多点报警体系中。上面先容多少种适用化的物位传感器及利用。 
       1、电容式物位传感器
       电容式物位传感器有两个导体电极（平日把容器壁作为一个电极），因为电极间是气体、流体或固体而招致静电容的变更，因而能够敏感物位。它的敏感元件有三种情势，即棒状、线状跟板状，其任务温度、压力重要受绝缘资料的限度。
       电容式物位传感器能够采取微机把持，实现主动调剂敏锐度，而且存在自诊断的功效，同时可能检测敏感元件的破坏、绝缘性的下降、电缆跟电路的毛病等，并能够主动报警，实现高牢靠性的信息通报。因为电容式物位传感器无机器可动部门，且敏感元件简略，外形跟构造的自在以年夜，操纵便利，因而，它是利用广泛的一种物位传感器。 
       2、浮于主动均衡式物位传感器
       这种传感器经由过程检测均衡浮子浮力的变更来停止液位的丈量。它能够装备微机，使之存在自检、自诊断跟远传的功效，应用它能够高精度地丈量年夜跨度的液位。
       3、压力式物位传感器
       个别采取半导体膜盒构造，应用金属片蒙受液体压力。经由过程封入的硅油导压通报给半导体应变片停止液位的丈量。因为固态压力传感器（压阻电桥式）机能的进步跟微处置技巧的开展，压力式物位传感器的利用愈来愈广。比年来．曾经研制出了体积小、温度范畴宽、牢靠性好、精度高的压力式物位传感器，同时，其利用范畴也一直地拓宽。 
       4、超声波物位传感器
       它是一种非打仗式的物位传感器，利用范畴非常普遍。其任务道理是，任务时向液面或粉体名义发射一束超声波，被其反射后，传感器再接受此反射波。设声速必定，依据声波来回的时光就能够盘算出传吸器到液面（粉体名义）的间隔，即丈量出液面（粉体名义）地位。其敏感元件有二种，一种是由线圈、磁铁跟膜形成的，另一种是由压电式磁致伸缩资料形成的。前者发生的是10KHz的超声波，后者发生的是20~40Khz的超声波。超声波的频率愈低，跟着间隔的衰减愈小，然而反射效力也小。
       因而，应依据丈量范畴、物位名义状态跟四周情况前提来决议所应用的超声波传感器。高机能的超声波物位传感器由微机把持。以紧凑的硬件停止特征调剂跟功效检测。它能够精确地域别旌旗灯号波跟噪声，因而，能够在搅拌器任务的任况下丈量物位。别的，在低温或吹风时也可检测物位，特殊是能够检测高粘度液体跟粉状体的物位。
       5、激光式物位传感器
       它是一种机能精良的非打仗式高精度物位传感器。其任务道理与超声波物位传感器雷同，只是把超声波换成光波。激光束很细，作为物位传感器时，即便物位名义极端粗拙，其反射波束也不外加宽到20mm，但这还是激光式物位传感器能够接受的范畴内、激光式物位传感器个别采取近红外光。它是把光流发射出的激光应用半透射反射镜处置。一部门作为基准参考旌旗灯号输入时光变送器，另一部门经由过程半透射反射镜的激光经由光学体系处置成为必定宽度的平行光束照耀在物面子上。反射波达到传感器接受部再转换成电旌旗灯号。
       由于从照耀到接收的时光很短，以是应用取样电路扩展成毫微秒数目级，便于旌旗灯号处置，停止时光的丈量。应用微机停止数据处置，变为数字表现物位值的模仿输出旌旗灯号，再应用软件检测旌旗灯号的牢靠件，假如测定体系呈现毛病则报警。这种传感器可利用于钢铁产业持续锻造安装的砂型铁水液位高度丈量。同时，它还能够利用于狭小启齿容器以及低温、高精度的液面检测。 
       别的，比年来跟着高科技的开展，呈现了数字式智能化的物位传感器，它是一种进步的数字式物位丈量体系。将其丈量部件技巧与微处置器的盘算功效联合为一体，使得物位丈量仪表至把持仪表成为全数字化体系。数字式智能化物位传感器的综合机能指标、现实丈量精确度比传统的模仿式物位传感器进步了3－5倍。
       总之，跟着传感器技巧的开展．物位传感器的情势将会多种多样，其情势应以非打仗式为研制重点。其开展偏向是经由过程普遍利用微机等高新电子技巧来取得片面机能的进一步进步，同时还要向着小型化、智能化、多功效化的偏向开展。

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