动态测力牛顿力传感器与静态称重公斤力传感器的混淆及误区

动态测力牛顿力传感器与静态称重公斤力传感器的混淆及误区

 

智能化时代的核心不是计算机,而是给计算机信息的传感器,只有精准的传感器信息源,才有信息的传输和计算机的演算可靠。对于称重及测力传感器的选择,由于我国的起步较晚,经过20多年的过程,发现存在着很多很多的混淆及误区,有些是原理性的、有些是商业性的、有些是无知性的、甚至一些是故意混淆的。我们“青岛汉威”只对现代电子传感器进行分析,传统机械式的由于工作原理不同,不在本篇讨论范围。

一、产品概念误区

称重、测力是二个不同物理量的测量。

1-1. 称重是对某个物体质量m在重力场中的重量W测量,重力方向永远向下,同一物体在不同的重力加速度g下重量不同,测量的计量单位是公斤kg(千克)或克g或吨t等,一般是相对静止状态的测量。W=mg。

1-2. 而测力是某个质量m物体对另一个物体的作用力F的测量,作用力的方向为物体的运动方向,作用力的大小与作用到另一个物体时的加速度a相关,一般是相对运动状态的测量,受力以受力点为理想状态,测量的单位是牛N或千牛KN或兆牛MN。F=ma。

即,一个物体在某个重力场g下的重量是恒定的,但对于其他物体的作用力随运动加速度不同及作用的受力对象而不同。

1-3. 称重一般是指固体物体的测量(液体和气体是和容器整体测量)。现代电子称重,按测量范围及测量精度不同,选用不同的测量方法。分为电子天平、电子衡器二类。电子衡器主要指采用电阻应变计电桥电路传感器测量物体重量的整套电子装置。电子天平主要指采用非完全电阻应变计电桥电路传感器的物体重量测量装置。电子天平因为工作原理不同,也不在本篇讨论范围。

严格来说,采用电阻应变计工作原理的,其产品就不可能做微量天平称重。

1-4. 测力,实际上涵盖范围最广,广义上,就是所有力值的测量。因此,误区最多。

一般,液体及气体的作用力测量是压强物理量测量,如,液压、气压,也称为压力传感器或变送器,其测量装置是与受力面积相关、同时与作用力大小相关,计量单位是压强,如Pa、MPa等。

称重测力的测力,指固体或固体间的作用力测量,固体本身物理量的测量装置为“材料试验机”。而,我们所说的测力,只是指物体间的作用力测量,相对静止的物体之间不存在作用力,测量方式有的是作用力、有的是反作用力,测量以作用点为基准。受力过程是动态变化的。

综上所述,用于称重场合的传感器称为“静态公斤力kgf传感器”,简称“称重传感器”;用于测力场合的传感器称为“动态牛顿力N传感器”,简称“测力传感器”。因此,实际是完全不同的产品范畴,产品的鉴定标准也不相同,最明显的就是精度等级不同,静态精度以ABCD及1、2、3……10,如C3、C4等等,是测量点的误差判断。而,动态精度以0.05、0.1、0.2、0.3、0.5几个等级,是满量程的误差综合。尤其需要强调的是,二者之间没有计算互换关系,如,C3静态精度与0.3%满量程动态精度,没有任何关系,C3表示满量程分成3000刻度,计量误差在1个刻度的意思,不是0.000333……,约等于0.03%的意思。0.03%满量程动态精度,是指整个量程范围每个测量点误差不超过理想增值的0.03%。

当测力运动速度缓慢时,可用静态称重传感器减少动态测力传感器采购成本。

二、原理性误区

原理性误区,有传感器本身工作原理、传感器安装机械力学原理二个方面。

2-1.  传感器工作原理

现代传感器技术基本上都已经是电学量单元,也称电子传感器,逐渐淘汰了30年前的非电量型工作原理传感器或测量方法。

(1). 术语称呼的混用

传感器sensor,是一种接受或激励被测信号,并以电信号作为输出的器件;

换能器transducer,是将一种类型的能量转换成另一种类型的能量的转换器;

变送器transmitter,是将同一类型的一种信号模式转换成另一种信号模式的转换器;

称重测力传感器loadcell,是传感器sensor的一种特殊产品,一般,传感器sensor是指压(强)力、温度、位置等测量的产品。而称重测力传感器loadcell由于工作原理相同,则往往混用。

(2). 法律法规及产品标准的混用

传感器的测量目的、场合及作用不同,测量的精度不同,适用的产品标准不同。一般,不涉及贸易计量的,产品只需要符合相关产品标准或企业标准,而以传感器测量数据作为贸易依据的,则需要满足法律法规及检定鉴定。

在我国,自秦始皇统一度量衡后,所有计量器具都由国家强制检定,尤其贸易衡器,政府各级部门设有专门机构,无论产品质量优劣,没有专门机构颁发的检定证书,都是违法产品。一些政府机构并将此概念延伸至企业内部计量过程称重或测力装置。实际上,贸易计量检定标准与制造过程计量检定标准的允许误差有相当的差异。

(3). 工作原理的误区

传感器的工作原理,暂不纳入最新纳米、超导、半导体等技术,但适合力值测量的主要有电阻应变式、压电式、电容式、涡流式、动圈式、电磁式、差动变送器式等。霍尔传感器、热电式传感器、光电式传感器等其他工作原理的传感器均不是力值测量的理想类型。

电阻应变式传感器是根据电阻的应变效应工作,主要用来测量力、液体或气体压(强)力。由于需要借助力敏元件(弹性体)形变,因此不适合微量力值测量。

电感式传感器是利用线圈自感或互感系数变化进行非电量测量,结构简单、分辨率及测量精度高,但响应较慢、不适于快速动态测量,测量范围与分辨率相关,测量范围越大,分辨率越低。主要用于静态力、压强力、加速度、振动、位移、厚度、液位等测量。

电容式传感器是应用二个电极板的极距、遮盖面积或二个极板间介质的介电常数发生变化时,电容量随之变化大小的测量。主要用于位移、振动、角度、加速度、压强力、压差、液位、料位等测量。

压电式传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应工作的,由于最终转换成力产生的电介质的电荷很小,一般需要精度较高的电压或电流放大器、高品质的传感器电缆,用于微压力、振动、加速度、位移、液位、流量等测量。

综上所述,适合称重测力传感器制造并应用的,考虑到产能、成本、工艺、材料等因素,工业称重常见的最多还是电阻应变式,一些商用或民用称重静态称重场合也可用电容式、压电式等传感器。

(4). 数字式传感器的误区

上述传感器都是将物理量转换成连续变化的电量,都属于模拟式传感器,检测范围小,输出的模拟信号不能直接输入计算机进行数据处理。

数字式传感器,就是传感器输出的信号可以直接输入到计算机进行数字化处理,目前只有编码代码型和脉冲计数型二种。

目前,称重测力传感器只是在传感器中加入了“模拟/数字转换器”输出数字信号,因此,本质上不属于数字式传感器,而是传感器数字变送器。

目前从数字式传感器原理及结构,还没有适合工业称重测力传感器直接输出数字信号的可能。所谓的数字式称重测力传感器只是故意混淆概念的商业化名称。无论托利多、HBM,品牌多大,更清楚这种概念性的故意混淆。

数字式传感器信号具有抗干扰能力强、易于远距离传输、可以直接计算机数字化处理,是传感器的发展方向。

2-2.  称重测力传感器安装机械力学原理误区

(1). 传感器弹性力敏受力结构

称重测力电阻应变式传感器loadcell与其他大多数传感器sensor的最大结构区别就是,温度、压力、加速度……等传感器一般有保护外壳,而称重测力应变式传感器的外壳本身就是传感器的受力应变元件。因此,很多用户在运输、安装、使用时,往往可能损坏其结构,以为是保护外壳。

称重测力传感器外形一方面是根据传感器本身材料力学进行设计,另一方面是根据安装使用机械状态进行选择。称重测力传感器弹性敏感元件(弹性体)大多采用等截面柱式、等截面板式、圆板式、悬臂梁式、平行梁、轮辐式、及轴状式等结构。

等截面柱式弹性体,有实心和空心二种结构,可承受较大的载荷,实心圆柱可测量大于10KN的力,而空心圆柱只能测量小于10KN的力。

圆环或圆板式的受力形变比圆柱式大的多,因而具有较高的灵敏度,适合测量较小的力。但制造加工工艺要求较高。

悬臂梁式弹性体为一端固定另一端自由受力,应变和位移较大,结构简单,加工方便,适用于1KN到5KN的力。这是使用最多的结构,但,根据不同的使用场合,有各种结构的变化。增加受力悬臂梁的个数,可以获得受力更大的结构,如轮辐式传感器。改变悬臂梁的界面,可获得线性更好的结构,如双剪梁传感器、波纹管传感器等。以及最广泛应用的平行梁或三平行梁结构,可制作测量小于1KN的单点式传感器,也可制作大于5KN的。

(2). 传感器使用安装时的误区

由于称重测力传感器的受力弹性体与安装结构是一体结构,在安装时,由于紧固力过大,超过了允许紧固范围,应力超过传感器零点测量范围。在多传感器使用时,由于设备安装造成传感器受到侧向力或扭力,并无法自由端自由复位。任意截断或延长传感器信号电缆。跌落、甚至敲击传感器弹性体。

(3). 选型误区

由于大多用户对称重测力传感器的正确选型及使用缺乏理解,一些技术人员凭着其他传感器的使用经验,以及成本预算压力等因素,最常见的就是把静态称重传感器用于高速测力场合、把间隙操作的衡器使用传感器用于长期负载的过程称重场合、把称重量程过载的安全系数用于高速冲击过载的安全系数、以及或略动作频次速率、使用干扰环境……等。

2-3.  商业化及无知误区

(1). 商业化竞争

商业化竞争主要是产品成本导致的市场价格鱼目混珠。并不是说,质量越好价格越高的就是最好的。而是,不同的应用场合,选择性价比最合适的产品。

称重测力传感器主要有弹性体、应变计、贴片胶、密封胶、组桥、焊封、补偿、导线、电缆……等等。

因此,传感器的弹性体材质、弹性体加工工艺、应变计材质、粘合剂材料、组桥元件、密封胶材料、电缆材质……的硬性成本,以及加工设备、制造工艺、人员技能、测试设备及人员水平、……的附加成本,还有设计、研发、管理……等等软性成本,以及产品应用的技术支持、选型指导……,等等。一个外形相似的传感器器,价格相差几倍、几十倍、甚至几百倍。

例如,几元成本的民用计价秤传感器,用于普通商品的计量称重,给电子秤的普及做出了巨大贡献,也推动了中国称重技术的发展。但,用于工业制造过程、甚至科研,其精度、速度、一致性、稳定性、长期可靠性、等等,会带来不可估计的危害。

在日益普及的包装秤,毛重单秤,精度及速度要求相对不高,但肯定铝制传感器就很难有长期可靠性。对于精度及速度要求较高的,最好还是进口产品(真实进口)、或进口品牌(真实品牌)产品,才能保证重量计量的响应速度、长期可靠性。

在大皮重小量程的检重称重设备,就得选用线性更好的传感器。

在装配测力场合,就得选用高速动态测力传感器。目前,能够符合高速动态测力的传感器只有德国AST、HBM、日本unipulse、NMB等几个品牌的进口产品,尤其动态高精度的只有德国原装进口AST产品,具有Dakks(德国国家力学实验室检定证书)。AST产品可以作为力值比对系统,配有TEDS智能传感器识别器,经过德国标准检定,可以保证长期检测可靠性,并无需现场任何标定操作。

因此,很多场合,是无法用低质、低价产品用户要求较高的场合的。

(2). 无知因素

测力场合,由于高速运动状态,1N的物体,产生的作用力,经过数字处理的测力仪表显示值100N,但实际在二个坚硬物体撞击瞬间产生的博峰值往往超过10倍以上。

由于大多称重传感器制造商,不会考虑到如此使用场合,即使冲力较大的场合,也是采用缓冲装置,消除其冲力的作用。因此,称重传感器的最大超载安全系数就是300%。但是,测力场合不允许缓冲,否则,冲击就失去作用。因此,误将称重传感器用于测力场合,由于无法消除作用力的瞬间峰值影响,产生很多的误动作,甚至传感器的损坏。

大多数传感器制造商都没有冲击力值原始力值分析,都是静态加载检测量程及其他传感器参数。长期如此,称重领域根本没有瞬间高速冲击保护的概念。

德国AST的KA-LF传感器,具有1000倍防过载能力,有效的解决了测力过程的各种过载问题,而且,各项技术参数都是标准传感器信号处理仪表可以通用的。

日本unipulse也相继推出了500倍防过载测力传感器,但由于其技术参数特殊,输出灵敏度只有0.4mV/V,需要unipulse配套的专用传感器信号处理仪表。

 

由于篇幅有限,扭矩传感器(静态及动态)、夹紧力传感器、加速度传感器等,将会另外的撰文讨论。如有任何问题,欢迎交流,恳请提出宝贵意见和建议。

 



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