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稱重傳感器(Load Cell)之特性分析

發(fā)布日期:2022-04-26發(fā)布人:超光傳感器瀏覽次數(shù):133

  稱重傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓亢洼敵隽恐g的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常把傳感器的特性分為兩種:靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。 
  靜態(tài)特性是指輸入不隨時(shí)間而變化的特性,它表示傳感器在被測(cè)量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)下輸入輸出的關(guān)系。 
  動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間而變化的特性,它表示傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。
  一般來(lái)說(shuō),傳感器的輸入和輸出關(guān)系可用微分方程來(lái)描述。理論上,將微分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時(shí),即可得到靜態(tài)特性。因此傳感器的靜特性是其動(dòng)特性的一個(gè)特例。
  傳感器除了描述輸入與輸出量之間的關(guān)系特性外,還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。 
一、 傳感器的靜態(tài)特性 
  傳感器的輸入- 輸出關(guān)系:輸入(外部影響:沖振、電磁場(chǎng)、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度、誤差因素)—傳感器—輸出(外部影響:溫度、供電、各種干擾穩(wěn)定性、溫漂、穩(wěn)定性(零漂)、分辨力、誤差因素)。人們總希望傳感器的輸入與輸出成唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而且最好呈線性關(guān)系。但一般情況下,輸入輸出不會(huì)完全符合所要求的線性關(guān)系,因傳感器本身存在著遲滯、蠕變、摩擦等各種因素,以及受外界條件的各種影響。一般稱重傳感器所標(biāo)注的參數(shù)都是靜態(tài)參數(shù)。
傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有:線性度、靈敏度、重復(fù)性(穩(wěn)定性)、遲滯性、分辨率、漂移等。
1、線性度(非線性度Nonlinearity)
  指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。
2、遲滯特性
  表明檢測(cè)系統(tǒng)在正向(輸入量增大)和反向(輸入量減小)行程期間(循環(huán)負(fù)載),輸入-輸出特性曲線不一致的程度。也就是說(shuō),對(duì)同樣大小的輸入量,檢測(cè)系統(tǒng)在下、反行程中,往往對(duì)應(yīng)兩個(gè)大小不同的輸出量。
  通過(guò)實(shí)驗(yàn),找出輸出量的這種最大差值,并以滿量程輸出YFS(滿量程)的百分?jǐn)?shù)表示,就得到了遲滯的大小式中,為輸出值在正、反行程期間的最大差值。
3、重復(fù)性(Nonrepeatability)
  重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟跈z測(cè)同一物理量時(shí)每次測(cè)量的不一致程度,也叫穩(wěn)定性,一般取多次連續(xù)測(cè)量同一輸入值得最大隨機(jī)誤差。重復(fù)性的高低與許多隨機(jī)因素有關(guān),也與產(chǎn)生遲滯的原因相似,它可用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定。
4、蠕變性(Creep)
  蠕變指的是材料在恒載下(外界載荷不變)的情況下,變形程度隨時(shí)間增加的現(xiàn)象,表現(xiàn)在傳感器上即其輸出的變化百分比。對(duì)于國(guó)外的傳感器來(lái)講,尤其是稱重傳感器,他們所標(biāo)注的參數(shù)是綜合誤差,其含義就是在非線性度誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差當(dāng)中取其最大值作為誤差參數(shù)。
5、 靈敏度(Sensitivity) 
  對(duì)于線性傳感器,其靈名度就是它的靜態(tài)特性直線的斜率。 
  而非線性傳感器的靈敏度,是不同點(diǎn)不同值。
6、分辨率(Resolution)
  分辨率是指?jìng)鞲衅骺筛惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力,是值引起示值改變的最小測(cè)量值,應(yīng)與靈敏度系數(shù)分開(靈敏系數(shù)——指輸出與輸入之比)。理論上傳感器的分辨率是無(wú)限的,只是我們后期讀數(shù)或采樣設(shè)備中能夠精確的看到多少位的變化有局限性。例如:我們的壓力負(fù)荷是從0.01233N到0.01235N的一個(gè)微小的變化(甚至在更低位),那么我們傳感器本身是能夠有輸出變化的,但是我們的數(shù)采度數(shù)假如只能顯示到第四位,如果它輸出電壓的變化是從0.0000x V到0.0000y V(甚至更小,在更低位),它就很有可能讀不到這樣一個(gè)變化。所以分辨率和精度是兩個(gè)不能混為一談的概念。
7、漂移(Drift)
  傳感器的漂移是指在外界的干擾下,輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下.零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的漂移。
對(duì)于溫度漂移,我們可以通過(guò)制作工藝來(lái)補(bǔ)償,比如說(shuō)用隔熱材料作為傳感器外殼,或者選用一種自溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片,再或者使用溫度系數(shù)較低的材料作為傳感器測(cè)量元件。
二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性
  動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。很多傳感器要在動(dòng)態(tài)條件下檢測(cè),被測(cè)量可能以各種形式隨時(shí)間變化。只要輸入量是時(shí)間的函數(shù),則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù),其間關(guān)系要用動(dòng)特性來(lái)說(shuō)明。動(dòng)特性是傳感器性能的一個(gè)重要方面,對(duì)其進(jìn)行研究與分析十分必要。
傳感器的動(dòng)特性取決于傳感器本身材料的特性,另一方面也與被測(cè)量的形式有關(guān)。
1、材料本身特性
  若材料本身有一個(gè)較高的固有頻率(Natural Frequency),例如壓電材料,它就可以制成頻率響應(yīng)較高的傳感器。另外若被測(cè)量變化的頻率比較高,而傳感器本身的響應(yīng)比較慢,這樣就會(huì)造成輸出的失真,不能真實(shí)反映實(shí)際測(cè)量的狀態(tài)。一般用沖擊響應(yīng)中傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間t來(lái)表征其性能,如圖1-4。對(duì)于不同的傳感器,其達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間不同。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),對(duì)于一個(gè)瞬間的沖擊作用力(階躍輸入),傳感器輸出所表現(xiàn)出來(lái)的特性,即它的動(dòng)態(tài)特性。
2、被測(cè)量的形式
( 1)規(guī)律性的: 1)周期性的:正弦周期輸入、復(fù)雜周期輸入;2)非周期性的:階躍輸入、線性輸入、其他瞬變輸入;3)隨機(jī)性的:
( 2)平穩(wěn)的:1)多態(tài)歷經(jīng)過(guò)程、非多態(tài)歷經(jīng)過(guò)程;2)非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程。
  在研究動(dòng)態(tài)特性時(shí),通常只能根據(jù)“規(guī)律性”的輸入來(lái)考慮傳感器的響應(yīng)。復(fù)雜周期輸入信號(hào)可以分解為各種諧波,所以可用正弦周期輸入信號(hào)來(lái)代替。其它瞬變輸入不及階躍輸入來(lái)得嚴(yán)峻,可用階躍輸入代表。因此,“標(biāo)準(zhǔn)”輸入只有三種;正弦周期輸入、階躍輸入和線性輸入。
  經(jīng)常使用的是前兩種,所以在傳感器選型時(shí)應(yīng)注意被測(cè)量的特性,如果要求精確的看到它的動(dòng)態(tài)變化,那么建議使用壓電式或其他頻響(Response Frequency)較高的傳感器,并考慮到壓電式傳感器有一個(gè)放電時(shí)間常數(shù),后期數(shù)采設(shè)備也必須有較高的采樣頻率(Sample Rate),以獲取比較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。  


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