如何使用稱(chēng)重傳感器

2021-04-27

如何使用稱(chēng)重傳感器

從電子秤到工業(yè)稱(chēng)重器，傳感器和電子設備都需要在許多領(lǐng)域測量物體的重量。

當我們談?wù)摐y量物體的重量時(shí)，是指由于地球重力（重力）的作用而對物體施加在檢測系統上的力的檢測。這就是為什么在物理學(xué)中區分重量和質(zhì)量的原因，因為后者是身體的一致性，而重量是對質(zhì)量以重力加速度施加的力的形式傳遞的感知。質(zhì)量和重量與重力加速度有關(guān)，這并非巧合，重力加速度平均為9.81 m /s2。從這個(gè)論述中可以得出結論，測量體重意味著(zhù)檢測到一種力量，這并非偶然，我們稱(chēng)其為力量重量。由于我們是電子設備，因此我們主要對電子稱(chēng)重設備感興趣，其中有壓力傳感器（實(shí)際上能夠檢測力，

稱(chēng)重傳感器是一種用于測量重量并因此測量壓縮和牽引力的設備。

稱(chēng)重傳感器如何工作

當以特定方式對其施加力時(shí)，稱(chēng)重傳感器會(huì )產(chǎn)生與該力本身成比例的輸出信號。但是它如何產(chǎn)生這個(gè)信號呢？好吧，該設備基于稱(chēng)為應變儀的組件，該組件通過(guò)利用壓阻效應來(lái)工作，即某些導電材料在沿某些方向壓縮或擴展時(shí)必須改變其電阻率的趨勢。這種現象類(lèi)似于在石英和某些合成陶瓷材料中發(fā)生的壓電效應，在壓電材料中，牽引力或壓縮力會(huì )在兩個(gè)相對的面之間產(chǎn)生電勢差。

應變計（應變計）稱(chēng)重傳感器由一個(gè)彈性元件組成，該彈性元件被選擇性地削弱以產(chǎn)生相對較高的電壓區域。應變儀被應用在這些區域。它們以各種配置連接，盡管最受贊賞的是惠斯通電橋，由四個(gè)如圖1所示布置的應變儀形成。在某些情況下，應變儀是兩個(gè)，其他兩個(gè)元件是公共電阻。應變儀也可以布置成半橋，在這種情況下，我們說(shuō)的是半電池。

惠斯通電橋通過(guò)連續且穩定的激勵電壓在上，下節點(diǎn)（+/-激勵點(diǎn)）之間供電，而輸出信號則在電橋的水平節點(diǎn)之間汲取。由于惠斯通電橋基本上是一個(gè)雙電阻分壓器，可從中獲取接地引起的輸出電勢，因此產(chǎn)生的電壓就是它們之間的差。在圖1的圖中，輸出位于A和B之間。

在沒(méi)有施加到單元的任何負載的情況下，所有應變儀都具有相同的電阻，因此點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的電勢沒(méi)有差異。

當將負載施加到電池時(shí)，電壓指示器的電阻增加，而壓縮指示器的電阻減小，因此電橋變得不平衡，并且存在與施加的載荷成比例的電勢差，可以通過(guò)點(diǎn)A進(jìn)行測量和B。

一些稱(chēng)重傳感器和指示器具有檢測電纜，在前面的圖1中將其稱(chēng)為+和– SENSE，它們使指示器能夠測量和調整施加到傳感器上的激勵電壓。當放置電池時(shí)必須用長(cháng)電纜連接時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。

稱(chēng)重傳感器可以單獨使用，也可以組合使用，具體取決于要稱(chēng)量的物體的幾何形狀。

圖2示出了典型的金屬應變儀，其由刻在平行網(wǎng)格線(xiàn)上的金屬箔組成，該金屬箔形成由出口焊盤(pán)界定的電路。箔片被接合到，這反過(guò)來(lái)，被約束到所述負載單元的表面的絕緣載體材料，因為它出現在圖2中。 

圖2 

在應變式稱(chēng)重傳感器中，通常將稱(chēng)重傳感器的一端連接到剛性結構上，而另一端則施加到負載接收設備上，通過(guò)該負載接收設備施加要測量的負載或力。在這種情況下，它是一個(gè)雙點(diǎn)像元，我們可以將其同化為懸臂梁，一端卡住，另一端受力。這種稱(chēng)重傳感器以其簡(jiǎn)單性和低成本而最為普遍。該結構通常是雙目的，即具有兩個(gè)孔的光束。應變儀安裝在頂部和底部，以測量拉伸力和壓縮力。由于應變儀可能會(huì )損壞，因此通常會(huì )用橡膠波紋管將其覆蓋并進(jìn)行維修。橫梁本身通常由鍍鎳鋼合金制成。對于輕載（最大230克），該射束采用銅鈹合金制成，而對于較高載荷，則采用不銹鋼制成。

在圖3中，我們看到了一個(gè)梁式稱(chēng)重傳感器，其中顯示了四個(gè)可用的應變儀，標記為T和C，并交叉布置在弱化的金屬結構的兩個(gè)表面上，以利于變形。使用所示的布置，兩個(gè)應變儀測量拉應力，兩個(gè)應變儀檢測壓應力，這與將載荷（重量）施加到稱(chēng)重傳感器上時(shí)的情況完全相同。應變計為四個(gè)，連接在一起形成惠斯通電橋，如圖1所示。，但是在這種情況下，他們的安排是為了使他們相互協(xié)作，否則，一個(gè)方面的阻力變化會(huì )與另一個(gè)方面形成對比。協(xié)作意味著(zhù)兩個(gè)T在橋中彼此相對，從而在施加力時(shí)獲得不平衡。

在惠斯通電橋的相對角上施加穩定的激勵電壓，并在其他點(diǎn)A和B上測量信號。

除了圖3中提出的用于剪切的類(lèi)型之外，還有圖4中所示的用于牽引（張力傳感器）的類(lèi)型，例如用于稱(chēng)重容器和料斗的地方單元懸掛在空中結構上，待稱(chēng)重的物體從下側懸掛。該結構實(shí)際上是S形，廣泛用于機械標尺到機電標尺的轉換。在這種情況下，電池用于檢測將杠桿系統連接到輻條的桿的電壓。

圖3 

圖4 

這類(lèi)電池的典型容量范圍為45公斤至22噸，而橫梁的容量約為500克至數十公斤

然后是單點(diǎn)稱(chēng)重傳感器（圖5），它們被廣泛用于平臺秤。無(wú)論負載在何處施加在上部平臺上，它們都會(huì )檢測重量。容量通常在1千克到2噸之間，可以容納表面積為幾百cm 2的平臺。 

圖5 

稱(chēng)重傳感器的類(lèi)型

可以根據力的施加方向對測力傳感器進(jìn)行分類(lèi)，因此我們可以選擇拉伸，壓縮，交替和彎曲的類(lèi)型（圖6）：第一種通常為S形，第二種通常為S形。紐扣或發(fā)條盒；第三個(gè)是在牽引力和壓縮力上都起作用，第四個(gè)是梁。 

圖6 

還有測量精度的分類(lèi)：超精確，精確，標準。

彈簧材料的形狀取決于測力傳感器的特性。

可以對氣密性進(jìn)行另一種分類(lèi)，如下所示。

?密封的：此類(lèi)型將應變計的區域封閉在殼體內部，并保護其免受環(huán)境影響。通常，殼體的內部充滿(mǎn)惰性氣體，這使得這些設備適合在不利的環(huán)境條件下使用，例如在有灰塵或高濕度的情況下在室外使用。使用膜片或波紋管，以免影響彈簧材料的彎曲。

?敞開(kāi)式：應變計沒(méi)有受到保護，或者最多只能用軟樹(shù)脂或橡膠修理，以免受到環(huán)境因素的傷害。它適用于溫度不太高，濕度或灰塵不多的環(huán)境中。

?防爆：由于其結構，這種類(lèi)型的電池是防火的

除了其組成，應力和密封之外，還可根據其形狀對稱(chēng)重傳感器進(jìn)行分類(lèi)（圖7）。因此，我們有光束類(lèi)型（光束），罐頭類(lèi)型（桶），S類(lèi)型（S）和墊圈類(lèi)型（墊圈或按鈕）。 

單點(diǎn)和多點(diǎn)

稱(chēng)重傳感器也可以區分為單點(diǎn)和多點(diǎn)：當需要使用單個(gè)稱(chēng)重傳感器進(jìn)行測量時(shí)，可以使用單點(diǎn)或單點(diǎn)類(lèi)型，而多點(diǎn)假定使用了多個(gè)載荷。對于單點(diǎn)傳感器，由于已經(jīng)校正了轉角誤差，因此將權重應用于了稱(chēng)重傳感器。

對于多點(diǎn)，通常將三個(gè)或四個(gè)稱(chēng)重傳感器放置在結構的各個(gè)點(diǎn)中，并適當添加它們的信號以校正施加力的任何角度誤差。 

圖7

稱(chēng)重傳感器的使用

要讀取通過(guò)稱(chēng)重傳感器的力或重量，首先必須評估最合適的配置，然后是牽引力傳感器以檢測懸掛的重量或壓縮以稱(chēng)重系統上的物體；此外，有必要查看需要什么樣的精度以及力來(lái)自哪個(gè)方向。 

 僅具有兩個(gè)應變儀的單元就可以檢測某種類(lèi)型的力，并且需要通過(guò)兩個(gè)固定電阻器進(jìn)行電橋連接，而具有四個(gè)應變儀的單元則以交叉方式排列，從而形成一個(gè)完整的惠斯通電橋。

在兩種情況下，電橋提供的信號都非常小。尤其是僅具有兩個(gè)應變儀的單元的電池，因為具有四個(gè)應變儀的單元的電池通過(guò)以適當的方式連接元件來(lái)提供差分信號，因此具有更大的幅度。 

 在任何情況下，都無(wú)法直接通過(guò)微控制器的ADC或Arduino讀取信號，但應進(jìn)行調節。這個(gè)術(shù)語(yǔ)意味著(zhù)放大剛好足以將電平提高到可以承受可能進(jìn)入連接的干擾的值，并減少任何無(wú)線(xiàn)電干擾。

有特定的集成電路，或者在任何情況下都適用于應變式稱(chēng)重傳感器的信號調節：例如INA125或HX711；這些頁(yè)面的專(zhuān)用框中均顯示了兩者的特征。 

 稱(chēng)重傳感器和Arduino

當然，Arduino公眾發(fā)現稱(chēng)重傳感器很有趣，這就是為什么我們考慮創(chuàng )建一些簡(jiǎn)單的應用程序來(lái)提出建議。應該立即指定，要用Arduino讀取稱(chēng)重傳感器提供的信號，必須插入一個(gè)調節電路，為此目的，上述兩個(gè)集成電路是合適的。在描述的應用程序中，我們將使用一個(gè)安裝了HX711（代碼HX711BOARD）和500g稱(chēng)重傳感器代碼LOADCELL500的分組接口，它們將連接到Arduino，如圖11所示。 

圖11 

如您所見(jiàn)，該單元具有四根導線(xiàn)，如圖所示進(jìn)行連接。從接線(xiàn)板的輸出中，該接線(xiàn)板從Arduino 5V汲取功率（并依次向稱(chēng)重傳感器供電），獲取包含有關(guān)重力信息的數字信號。更確切地講，分線(xiàn)板通過(guò)DT（數據）線(xiàn)在兩線(xiàn)I2C型總線(xiàn)上提供數據字符串，該數據線(xiàn)與Arduino在SCK線(xiàn)上生成的時(shí)鐘同步。清單1提供了獲取通過(guò)稱(chēng)重傳感器和HX711讀取的讀數所必需的代碼。

清單1

#include“ HX711.h”

#define Calibration_factor -9580.00 //此值是使用

 // SparkFun_HX711_Calibration草圖

＃定義DOUT 4

＃定義CLK 5

HX711標度（DOUT，CLK）;

void setup（）{

 Serial.begin（9600）;

 Serial.println（“ HX711 scale demo”）;

 scale.set_scale（calibration_factor）;

 scale.tare（）; //假設秤上沒(méi)有重量

 //在啟動(dòng)時(shí)，將比例重置為0

 Serial.println（“ Readings：”）;

}

無(wú)效循環(huán)（）{

 Serial.print（“ Reading：”）;

 float libbre = scale.get_units（）;

 浮動(dòng)公斤=（libbre / 2.2046）;

 Serial.print（kg，1）; //scale.get_units（）返回一個(gè)浮點(diǎn)數

 Serial.print（“ kg”）; //您可以將其更改為kg，但是您需要

 //重構Calibration_factor

 Serial.println（）;

} 

現在，讓我們轉到基于不同配置的第二個(gè)應用示例，即2個(gè)半電池，每個(gè)電池的容量為50kg（代碼LC50KG），總容量等于100kg。在電氣上，這些半單元構成惠斯通電橋的每一半，并通過(guò)基于HX711的常規分線(xiàn)板進(jìn)行連接，如圖12所示。

圖12

這些稱(chēng)重傳感器具有以下特征：

輸出信號= 1 mV（±0.1）;

非線(xiàn)性= 0.05（滿(mǎn)量程的百分比）;

磁滯= 0.05（滿(mǎn)量程的％）;

重復性= 0.05（滿(mǎn)量程的百分比）;

1分鐘后蠕變= 0.1（滿(mǎn)量程的％）;

溫度對出口的影響= 10°C（滿(mǎn)量程的0.1％）；

溫度對零的影響= 10°C（滿(mǎn)量程的0.3％）;

輸入電阻= 1 kohm（±10）;

輸出電阻= 1 kohm（±10）;

絕緣電阻> 2,000 Mohm

工作溫度= -10°C至+ 40°C;

電橋激勵電壓= 10 V;

尺寸（毫米）：34x34x8。

對于Arduino連接，請記住，紅色線(xiàn)是正極（VCC），黑色是負極（GND），白色是要連接的輸出（OUT），如圖所示。

清單2中提供了用于通過(guò)初始皮重確定來(lái)執行重量測量的Arduino代碼，其中包括HX711庫。

清單2

#include“ HX711.h”

#define Calibration_factor -9580.00 //獲得的校準系數

 //使用草圖SparkFun_HX711_Calibration

#define DOUT 4 //數字引腳DT

＃定義CLK 5 //數字引腳SCK

HX711標度（DOUT，CLK）;

void setup（）{

 Serial.begin（9600）;

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

 scale.set_scale（calibration_factor）;

 scale.tare（）; //確保開(kāi)始時(shí)沒(méi)有重量。

 延遲（500）;

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

 延遲（1000）;

 Serial.println（“ Sistema pronto。”）;

 延遲（300）;

}

無(wú)效循環(huán)（）{

 Serial.print（“ Peso：”）;

 浮動(dòng)磅= scale.get_units（）;

 浮動(dòng)公斤=（libbre / 2.2046）; //轉換重量磅（千克）

 Serial.print（kg，1）;

 Serial.print（“ kg”）;

 Serial.println（）;

 延遲（500）; //延遲的體重讀數。減少閱讀次數！

}

具有四個(gè)半電池的電路 

圖13 

從先前的配置中，我們獲得了另一個(gè)系統，該系統由4個(gè)相同類(lèi)型的半測力傳感器組成，可用于檢測放置在半測力傳感器上的板條箱的重量，每個(gè)板條測力傳感器都布置在墻的一個(gè)角上。例如圖13中提出的結構。由于每個(gè)稱(chēng)重傳感器（半個(gè)稱(chēng)重傳感器）的重量均為50千克，因此我們可以通過(guò)完美平衡的方式達到最大200千克的重量，因為我們的元件位于四個(gè)角上。圖14提出的接線(xiàn)圖描述了用Arduino創(chuàng )建的電路; 紅色電纜從每個(gè)單元中“拾取”并連接到HX711板的引腳。這種惠斯通電橋構造允許具有平衡的系統，其中以平衡的方式測量重量。清單3中提出了與后一個(gè)應用程序示例相關(guān)的Arduino代碼。

圖14

清單3

#include“ HX711.h”

＃定義DOUT 4

＃定義CLK 5

const int buttonPin = 2;

int buttonState = 0;

HX711標度（DOUT，CLK）;

浮動(dòng)校正系數= -9640.00; //-7050適用于我的440lb最大比例設置

void setup（）{

Serial.begin（9600）;

Serial.println（“ HX711校準草圖”）；

Serial.println（“讀數開(kāi)始后，將已知重量放到秤上”）；

Serial.println（“按+或a增加校準系數”）；

Serial.println（“按-或z減小校準系數”）；

scale.set_scale（）;

scale.tare（）; //將比例尺重置為0

long zero_factor = scale.read_average（）; //獲取基線(xiàn)讀數

Serial.print（“零系數：”）; //這可用于消除去皮磅的需要。在永久規模的項目中很有用。

Serial.println（zero_factor）;

pinMode（buttonPin，INPUT）;

}

無(wú)效循環(huán)（）{

buttonState = digitalRead（buttonPin）;

如果（buttonState == HIGH）{

 scale.set_scale（）;

 scale.tare（）; //將比例尺重置為0

 long zero_factor = scale.read_average（）; //獲取基線(xiàn)讀數

 Serial.print（“零系數：”）; //這可用于消除去皮磅的需要。

 Serial.println（zero_factor）;

 pinMode（buttonPin，INPUT）;

}

scale.set_scale（calibration_factor）; //調整到這個(gè)校準系數

Serial.print（“ Reading：”）;

float libbre = scale.get_units（）;

浮動(dòng)公斤=（libbre / 2.2046）;

Serial.print（kg，1）; //scale.get_units（）返回一個(gè)浮點(diǎn)數

Serial.print（“ kg”）;

Serial.print（“ Calibration_factor：”）;

Serial.print（calibration_factor）;

Serial.println（）;

if（Serial.available（））

{

char temp = Serial.read（）;

if（temp =='+'|| temp =='a'）

 標定系數+ = 10;

否則if（temp =='-'|| temp =='z'）

 標定系數-= 10;

}

}