如何使用(yòng)称重传感器

2021-04-27

如何使用(yòng)称重传感器

从電(diàn)子秤到工业称重器，传感器和電(diàn)子设备都需要在许多(duō)领域测量物(wù)體(tǐ)的重量。

当我们谈论测量物(wù)體(tǐ)的重量时，是指由于地球重力（重力）的作用(yòng)而对物(wù)體(tǐ)施加在检测系统上的力的检测。这就是為(wèi)什么在物(wù)理(lǐ)學(xué)中區(qū)分(fēn)重量和质量的原因，因為(wèi)后者是身體(tǐ)的一致性，而重量是对质量以重力加速度施加的力的形式传递的感知。质量和重量与重力加速度有(yǒu)关，这并非巧合，重力加速度平均為(wèi)9.81 m /s²。从这个论述中可(kě)以得出结论，测量體(tǐ)重意味着检测到一种力量，这并非偶然，我们称其為(wèi)力量重量。由于我们是電(diàn)子设备，因此我们主要对電(diàn)子称重设备感兴趣，其中有(yǒu)压力传感器（实际上能(néng)够检测力，

称重传感器是一种用(yòng)于测量重量并因此测量压缩和牵引力的设备。

称重传感器如何工作

当以特定方式对其施加力时，称重传感器会产生与该力本身成比例的输出信号。但是它如何产生这个信号呢(ne)？好吧，该设备基于称為(wèi)应变仪的组件，该组件通过利用(yòng)压阻效应来工作，即某些导電(diàn)材料在沿某些方向压缩或扩展时必须改变其電(diàn)阻率的趋势。这种现象类似于在石英和某些合成陶瓷材料中发生的压電(diàn)效应，在压電(diàn)材料中，牵引力或压缩力会在两个相对的面之间产生電(diàn)势差。

应变计（应变计）称重传感器由一个弹性元件组成，该弹性元件被选择性地削弱以产生相对较高的電(diàn)压區(qū)域。应变仪被应用(yòng)在这些區(qū)域。它们以各种配置连接，尽管最受赞赏的是惠斯通電(diàn)桥，由四个如图1所示布置的应变仪形成。在某些情况下，应变仪是两个，其他(tā)两个元件是公共電(diàn)阻。应变仪也可(kě)以布置成半桥，在这种情况下，我们说的是半電(diàn)池。

惠斯通電(diàn)桥通过连续且稳定的激励電(diàn)压在上，下节点（+/-激励点）之间供電(diàn)，而输出信号则在電(diàn)桥的水平节点之间汲取。由于惠斯通電(diàn)桥基本上是一个双電(diàn)阻分(fēn)压器，可(kě)从中获取接地引起的输出電(diàn)势，因此产生的電(diàn)压就是它们之间的差。在图1的图中，输出位于A和B之间。

在没有(yǒu)施加到单元的任何负载的情况下，所有(yǒu)应变仪都具有(yǒu)相同的電(diàn)阻，因此点A和点B之间的電(diàn)势没有(yǒu)差异。

当将负载施加到電(diàn)池时，電(diàn)压指示器的電(diàn)阻增加，而压缩指示器的電(diàn)阻减小(xiǎo)，因此電(diàn)桥变得不平衡，并且存在与施加的载荷成比例的電(diàn)势差，可(kě)以通过点A进行测量和B。

一些称重传感器和指示器具有(yǒu)检测電(diàn)缆，在前面的图1中将其称為(wèi)+和– SENSE，它们使指示器能(néng)够测量和调整施加到传感器上的激励電(diàn)压。当放置電(diàn)池时必须用(yòng)長(cháng)電(diàn)缆连接时，这一点尤為(wèi)重要。

称重传感器可(kě)以单独使用(yòng)，也可(kě)以组合使用(yòng)，具體(tǐ)取决于要称量的物(wù)體(tǐ)的几何形状。

图2示出了典型的金属应变仪，其由刻在平行网格線(xiàn)上的金属箔组成，该金属箔形成由出口焊盘界定的電(diàn)路。箔片被接合到，这反过来，被约束到所述负载单元的表面的绝缘载體(tǐ)材料，因為(wèi)它出现在图2中。 

图2 

在应变式称重传感器中，通常将称重传感器的一端连接到刚性结构上，而另一端则施加到负载接收设备上，通过该负载接收设备施加要测量的负载或力。在这种情况下，它是一个双点像元，我们可(kě)以将其同化為(wèi)悬臂梁，一端卡住，另一端受力。这种称重传感器以其简单性和低成本而最為(wèi)普遍。该结构通常是双目的，即具有(yǒu)两个孔的光束。应变仪安装在顶部和底部，以测量拉伸力和压缩力。由于应变仪可(kě)能(néng)会损坏，因此通常会用(yòng)橡胶波纹管将其覆盖并进行维修。横梁本身通常由镀镍钢合金制成。对于轻载（最大230克），该射束采用(yòng)铜铍合金制成，而对于较高载荷，则采用(yòng)不锈钢制成。

在图3中，我们看到了一个梁式称重传感器，其中显示了四个可(kě)用(yòng)的应变仪，标记為(wèi)T和C，并交叉布置在弱化的金属结构的两个表面上，以利于变形。使用(yòng)所示的布置，两个应变仪测量拉应力，两个应变仪检测压应力，这与将载荷（重量）施加到称重传感器上时的情况完全相同。应变计為(wèi)四个，连接在一起形成惠斯通電(diàn)桥，如图1所示。，但是在这种情况下，他(tā)们的安排是為(wèi)了使他(tā)们相互协作，否则，一个方面的阻力变化会与另一个方面形成对比。协作意味着两个T在桥中彼此相对，从而在施加力时获得不平衡。

在惠斯通電(diàn)桥的相对角上施加稳定的激励電(diàn)压，并在其他(tā)点A和B上测量信号。

除了图3中提出的用(yòng)于剪切的类型之外，还有(yǒu)图4中所示的用(yòng)于牵引（张力传感器）的类型，例如用(yòng)于称重容器和料斗的地方单元悬挂在空中结构上，待称重的物(wù)體(tǐ)从下侧悬挂。该结构实际上是S形，广泛用(yòng)于机械标尺到机電(diàn)标尺的转换。在这种情况下，電(diàn)池用(yòng)于检测将杠杆系统连接到辐条的杆的電(diàn)压。

图3 

图4 

这类電(diàn)池的典型容量范围為(wèi)45公斤至22吨，而横梁的容量约為(wèi)500克至数十公斤

然后是单点称重传感器（图5），它们被广泛用(yòng)于平台秤。无论负载在何处施加在上部平台上，它们都会检测重量。容量通常在1千克到2吨之间，可(kě)以容纳表面积為(wèi)几百cm 2的平台。 

图5 

称重传感器的类型

可(kě)以根据力的施加方向对测力传感器进行分(fēn)类，因此我们可(kě)以选择拉伸，压缩，交替和弯曲的类型（图6）：第一种通常為(wèi)S形，第二种通常為(wèi)S形。纽扣或发条盒；第三个是在牵引力和压缩力上都起作用(yòng)，第四个是梁。 

图6 

还有(yǒu)测量精度的分(fēn)类：超精确，精确，标准。

弹簧材料的形状取决于测力传感器的特性。

可(kě)以对气密性进行另一种分(fēn)类，如下所示。

•密封的：此类型将应变计的區(qū)域封闭在壳體(tǐ)内部，并保护其免受环境影响。通常，壳體(tǐ)的内部充满惰性气體(tǐ)，这使得这些设备适合在不利的环境条件下使用(yòng)，例如在有(yǒu)灰尘或高湿度的情况下在室外使用(yòng)。使用(yòng)膜片或波纹管，以免影响弹簧材料的弯曲。

•敞开式：应变计没有(yǒu)受到保护，或者最多(duō)只能(néng)用(yòng)软树脂或橡胶修理(lǐ)，以免受到环境因素的伤害。它适用(yòng)于温度不太高，湿度或灰尘不多(duō)的环境中。

•防爆：由于其结构，这种类型的電(diàn)池是防火的

除了其组成，应力和密封之外，还可(kě)根据其形状对称重传感器进行分(fēn)类（图7）。因此，我们有(yǒu)光束类型（光束），罐头类型（桶），S类型（S）和垫圈类型（垫圈或按钮）。 

单点和多(duō)点

称重传感器也可(kě)以區(qū)分(fēn)為(wèi)单点和多(duō)点：当需要使用(yòng)单个称重传感器进行测量时，可(kě)以使用(yòng)单点或单点类型，而多(duō)点假定使用(yòng)了多(duō)个载荷。对于单点传感器，由于已经校正了转角误差，因此将权重应用(yòng)于了称重传感器。

对于多(duō)点，通常将三个或四个称重传感器放置在结构的各个点中，并适当添加它们的信号以校正施加力的任何角度误差。 

图7

称重传感器的使用(yòng)

要读取通过称重传感器的力或重量，首先必须评估最合适的配置，然后是牵引力传感器以检测悬挂的重量或压缩以称重系统上的物(wù)體(tǐ)；此外，有(yǒu)必要查看需要什么样的精度以及力来自哪个方向。 

 仅具有(yǒu)两个应变仪的单元就可(kě)以检测某种类型的力，并且需要通过两个固定電(diàn)阻器进行電(diàn)桥连接，而具有(yǒu)四个应变仪的单元则以交叉方式排列，从而形成一个完整的惠斯通電(diàn)桥。

在两种情况下，電(diàn)桥提供的信号都非常小(xiǎo)。尤其是仅具有(yǒu)两个应变仪的单元的電(diàn)池，因為(wèi)具有(yǒu)四个应变仪的单元的電(diàn)池通过以适当的方式连接元件来提供差分(fēn)信号，因此具有(yǒu)更大的幅度。 

 在任何情况下，都无法直接通过微控制器的ADC或Arduino读取信号，但应进行调节。这个术语意味着放大刚好足以将電(diàn)平提高到可(kě)以承受可(kě)能(néng)进入连接的干扰的值，并减少任何无線(xiàn)電(diàn)干扰。

有(yǒu)特定的集成電(diàn)路，或者在任何情况下都适用(yòng)于应变式称重传感器的信号调节：例如INA125或HX711；这些页面的专用(yòng)框中均显示了两者的特征。 

 称重传感器和Arduino

当然，Arduino公众发现称重传感器很(hěn)有(yǒu)趣，这就是為(wèi)什么我们考虑创建一些简单的应用(yòng)程序来提出建议。应该立即指定，要用(yòng)Arduino读取称重传感器提供的信号，必须插入一个调节電(diàn)路，為(wèi)此目的，上述两个集成電(diàn)路是合适的。在描述的应用(yòng)程序中，我们将使用(yòng)一个安装了HX711（代码HX711BOARD）和500g称重传感器代码LOADCELL500的分(fēn)组接口，它们将连接到Arduino，如图11所示。 

图11 

如您所见，该单元具有(yǒu)四根导線(xiàn)，如图所示进行连接。从接線(xiàn)板的输出中，该接線(xiàn)板从Arduino 5V汲取功率（并依次向称重传感器供電(diàn)），获取包含有(yǒu)关重力信息的数字信号。更确切地讲，分(fēn)線(xiàn)板通过DT（数据）線(xiàn)在两線(xiàn)I²C型总線(xiàn)上提供数据字符串，该数据線(xiàn)与Arduino在SCK線(xiàn)上生成的时钟同步。清单1提供了获取通过称重传感器和HX711读取的读数所必需的代码。

清单1

#include“ HX711.h”

#define Calibration_factor -9580.00 //此值是使用(yòng)

 // SparkFun_HX711_Calibration草(cǎo)图

＃定义DOUT 4

＃定义CLK 5

HX711标度（DOUT，CLK）;

void setup（）{

 Serial.begin（9600）;

 Serial.println（“ HX711 scale demo”）;

 scale.set_scale（calibration_factor）;

 scale.tare（）; //假设秤上没有(yǒu)重量

 //在启动时，将比例重置為(wèi)0

 Serial.println（“ Readings：”）;

}

无效循环（）{

 Serial.print（“ Reading：”）;

 float libbre = scale.get_units（）;

 浮动公斤=（libbre / 2.2046）;

 Serial.print（kg，1）; //scale.get_units（）返回一个浮点数

 Serial.print（“ kg”）; //您可(kě)以将其更改為(wèi)kg，但是您需要

 //重构Calibration_factor

 Serial.println（）;

} 

现在，让我们转到基于不同配置的第二个应用(yòng)示例，即2个半電(diàn)池，每个電(diàn)池的容量為(wèi)50kg（代码LC50KG），总容量等于100kg。在電(diàn)气上，这些半单元构成惠斯通電(diàn)桥的每一半，并通过基于HX711的常规分(fēn)線(xiàn)板进行连接，如图12所示。

图12

这些称重传感器具有(yǒu)以下特征：

输出信号= 1 mV（±0.1）;

非線(xiàn)性= 0.05（满量程的百分(fēn)比）;

磁滞= 0.05（满量程的％）;

重复性= 0.05（满量程的百分(fēn)比）;

1分(fēn)钟后蠕变= 0.1（满量程的％）;

温度对出口的影响= 10°C（满量程的0.1％）；

温度对零的影响= 10°C（满量程的0.3％）;

输入電(diàn)阻= 1 kohm（±10）;

输出電(diàn)阻= 1 kohm（±10）;

绝缘電(diàn)阻> 2,000 Mohm

工作温度= -10°C至+ 40°C;

電(diàn)桥激励電(diàn)压= 10 V;

尺寸（毫米）：34x34x8。

对于Arduino连接，请记住，红色線(xiàn)是正极（VCC），黑色是负极（GND），白色是要连接的输出（OUT），如图所示。

清单2中提供了用(yòng)于通过初始皮重确定来执行重量测量的Arduino代码，其中包括HX711库。

清单2

#include“ HX711.h”

#define Calibration_factor -9580.00 //获得的校准系数

 //使用(yòng)草(cǎo)图SparkFun_HX711_Calibration

#define DOUT 4 //数字引脚DT

＃定义CLK 5 //数字引脚SCK

HX711标度（DOUT，CLK）;

void setup（）{

 Serial.begin（9600）;

 Serial.println（“ Rilevazione Peso con Tara iniziale”）；

 scale.set_scale（calibration_factor）;

 scale.tare（）; //确保开始时没有(yǒu)重量。

 延迟（500）;

 Serial.println（“ Tara in corso ... non mettere nessun peso！”）；

 延迟（1000）;

 Serial.println（“ Sistema pronto。”）;

 延迟（300）;

}

无效循环（）{

 Serial.print（“ Peso：”）;

 浮动磅= scale.get_units（）;

 浮动公斤=（libbre / 2.2046）; //转换重量磅（千克）

 Serial.print（kg，1）;

 Serial.print（“ kg”）;

 Serial.println（）;

 延迟（500）; //延迟的體(tǐ)重读数。减少阅读次数！

}

具有(yǒu)四个半電(diàn)池的電(diàn)路 

图13 

从先前的配置中，我们获得了另一个系统，该系统由4个相同类型的半测力传感器组成，可(kě)用(yòng)于检测放置在半测力传感器上的板条箱的重量，每个板条测力传感器都布置在墙的一个角上。例如图13中提出的结构。由于每个称重传感器（半个称重传感器）的重量均為(wèi)50千克，因此我们可(kě)以通过完美平衡的方式达到最大200千克的重量，因為(wèi)我们的元件位于四个角上。图14提出的接線(xiàn)图描述了用(yòng)Arduino创建的電(diàn)路; 红色電(diàn)缆从每个单元中“拾取”并连接到HX711板的引脚。这种惠斯通電(diàn)桥构造允许具有(yǒu)平衡的系统，其中以平衡的方式测量重量。清单3中提出了与后一个应用(yòng)程序示例相关的Arduino代码。

图14

清单3

#include“ HX711.h”

＃定义DOUT 4

＃定义CLK 5

const int buttonPin = 2;

int buttonState = 0;

HX711标度（DOUT，CLK）;

浮动校正系数= -9640.00; //-7050适用(yòng)于我的440lb最大比例设置

void setup（）{

Serial.begin（9600）;

Serial.println（“ HX711校准草(cǎo)图”）；

Serial.println（“读数开始后，将已知重量放到秤上”）；

Serial.println（“按+或a增加校准系数”）；

Serial.println（“按-或z减小(xiǎo)校准系数”）；

scale.set_scale（）;

scale.tare（）; //将比例尺重置為(wèi)0

long zero_factor = scale.read_average（）; //获取基線(xiàn)读数

Serial.print（“零系数：”）; //这可(kě)用(yòng)于消除去皮磅的需要。在永久规模的项目中很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。

Serial.println（zero_factor）;

pinMode（buttonPin，INPUT）;

}

无效循环（）{

buttonState = digitalRead（buttonPin）;

如果（buttonState == HIGH）{

 scale.set_scale（）;

 scale.tare（）; //将比例尺重置為(wèi)0

 long zero_factor = scale.read_average（）; //获取基線(xiàn)读数

 Serial.print（“零系数：”）; //这可(kě)用(yòng)于消除去皮磅的需要。

 Serial.println（zero_factor）;

 pinMode（buttonPin，INPUT）;

}

scale.set_scale（calibration_factor）; //调整到这个校准系数

Serial.print（“ Reading：”）;

float libbre = scale.get_units（）;

浮动公斤=（libbre / 2.2046）;

Serial.print（kg，1）; //scale.get_units（）返回一个浮点数

Serial.print（“ kg”）;

Serial.print（“ Calibration_factor：”）;

Serial.print（calibration_factor）;

Serial.println（）;

if（Serial.available（））

{

char temp = Serial.read（）;

if（temp =='+'|| temp =='a'）

 标定系数+ = 10;

否则if（temp =='-'|| temp =='z'）

 标定系数-= 10;

}

}