衡器基本知识

衡器基本知识

一、智能化仪表（Intelligence Instruments）概述

当今世界技术发展的主流趋势表现在：测量信息数字化，检测控制仪表智能化，控制管理集成化。

“智能化”是自动化技术当前和今后的发展动向之一，它已经成为工业控制和自动化领域的各种新技术，新方法、新产品的发展趋势和显著标志。智能化应当有两方面的含义：（1）采用‘人工智能’的理论、方法和技术；（2）具有‘拟人智能’的特性或功能，例如自适应、自学习、自校正、自协调、自组织、自诊断、自修复等。这可作为衡量是不是智能化装置、设备、系统的性能标准。由此可得到关于智能化的定义：是‘采用人工智能理论、方法、技术’并‘具有某种拟人智能特性和功能’。也就是说：利用计算机来代替人的一部分脑力劳动，具有运用知识进行推理、学习、联想解决问题的能力。就智能化仪表和装置来说，则应该具有以下特征：（1）能自动完成某些测量任务或在程序指导下完成预定动作；（2）具有进行各种复杂计算和修正误差的数据处理能力；（3）具有自校准、自检测、自诊断功能；（4）便于通过标准总线组成个多种仪表的复杂系统，实现复杂的控制功能，并能灵活地改变和扩展功能”。“现有的测控系统通常具有刚性体系结构，缺乏自组织、自维修、自适应等方面的柔性，智能水平不高。现在一些新型智能仪表虽冠以智能化的名称，实际上是电脑化，名不副实，只是采用了计算机，电脑化并不等于智能化，应该向智能化方向努力”。目前比较受推崇的是柔性智能测控仪表的研究思路，就是在现有电脑化仪表的基础上，采用硬件软化、软件集成，虚拟现实、软测量等人工智能的方法和技术，实现测控仪表的柔性化，研究开发具有拟人智能特性或功能，名副其实的智能化仪表。例如，上海自动化仪表研究所研究开发的带有人工智能预估控制的多回路数字调节器（TDM-50A型），它能解决特大纯滞后（超过12min）过程的启动和稳定控制，自动检测纯滞后时间，自动寻优建立全部控制参数，实现快速无超调的控制品质。又如上海宝科自动化仪表研究所创新设计的通用流量演算器（FC-6000型），从理论分析解决了流量测量上各种复杂计算和补偿修正的工程应用问题，能有效地提高流量测量的精确度，并判断出故障产生的原因。

用来测量各种电量、磁量及电路参数的仪器、仪表，统称为电工仪表。电工仪表的种类繁多，分类方法也各异。（1）按结构和用途的不同，电工仪表主要分以下三类指示仪表。能将被测量转换为仪表可动部分的机械偏转角，并通过指示器直接显示出被测量的大小，故又称为直读式仪表。（2）按工作原理分类主要有磁电系仪表、电磁系仪表、电动系仪表和感应系仪表。此外，还有整流系仪表、铁磁电动系仪表等。（3）按使用方法分类有安装式、便携式两种。安装式仪表是固定安装在开关板或电气设备面板上的仪表，又称面板式仪表。它的准确度一般不高，广泛应用于发电厂、配电所的运行监视和测量中。便携式仪表是可以携带的仪表，其准确度较高，广泛应用于电气实验、精密测量及仪表检定中。

二、衡器（weighing machine）概述

衡器就是称量物体重量的器具，如秤、天平等。某些衡器习惯上称为秤。

衡器广泛应用于工业、农业、商业、科研、医疗卫生等部门。衡器是利用力的形变平衡原理（虎克原理）或力的杠杆平衡原理测定物体质量的。形变平衡根据被测物自身重量所引起的弹性体形变量来测定被测物质量，形变量随着重力加速度的变化而变化；杠杆平衡根据标定砝码重量与被测物重量在杠杆上的平衡来测定被测物质量。杠杆平衡与重力加速度的变化无关，但在重力加速度等于零时，衡量失效。

衡器主要由承重系统（如秤盘）、传力转换系统（如杠杆传力系统）和示值系统（如刻度盘）3部分组成。衡器按结构原理可分为机械秤、电子秤、机电结合秤三大类。机械秤又分杠杆秤和弹簧秤。按衡量方法分非自动秤和自动秤。其主要品种有天平、杆秤、案秤、台秤、地中衡、地上衡、轨道衡、皮带秤、邮政秤、吊秤、配料秤和袋装秤等。衡器发展的重点是电子衡器。程控、群控、电传打印记录、屏幕显示等现代技术的配套使用，使衡器功能齐全，效率更高。通过衡量物体的重量（所受重力的大小）来测定该物体质量的器具。

分类衡器按结构原理可分为机械秤、电子秤、机电结合秤三大类，机械秤又分为杠杆秤（包括等臂杠杆秤也即狭义的天平、不等臂杠杆秤）和弹簧秤。衡器还可按衡量方法分为非自动衡器和自动衡器。衡器的主要品种有天平、杆秤、案秤、台秤、地中衡、地上衡、轨道衡、皮带秤、邮政秤、吊秤、配料秤和装袋秤等。

结构衡器主要由承重系统、传力转换系统和示值系统3部分组成。

承重系统其结构取决于所称物体的形态。台秤、地中衡一般配用平板承重机构；专门衡量一种物体的秤，则配有能缩短衡量时间、减少操作繁重性的专用承重机构，如：衡量颗粒状物料的秤上设置簸箕式秤盘，衡量液体的秤则安装专用贮盛器。此外，承重机构的形式还有轨道衡的轨道、皮带秤的运输带，吊秤的吊钩等。承重系统的结构虽各不相同，但功能却是一致的。

传力转换系统是决定衡器计量性能的关键部件。通常采用杠杆传力系统和形变传力系统。

杠杆传力系统主要由承重杠杆、传力杠杆、支架零件和联结零件如刀子、刀承、吊钩、吊环等组成。图2中，承重杠杆1和2承受由承重机构T传来的荷重G，传力杠杆3将荷重从承重杠杆传到示值机构──计量杠杆4。

形变传力系统中，弹簧是人们最早使用的形变传力机构。弹簧秤的称量可从1毫克到数十吨，所用的弹簧有石英丝弹簧、平卷弹簧、螺旋弹簧和盘形弹簧。弹簧秤受地理位置、温度等因素的影响较大，计量准确度较低。为获得较高的准确度，人们研制了各种称重传感器，如电阻应变式、电容式、压磁式和振弦式称重传感器等，以电阻应变式传感器使用最广。

示值系统机械秤的示值系统主要采用具有刻度标志的计量杠杆或刻度盘。前者利用增砣、游砣、砝码来平衡计量杠杆以获得读数；后者通过指针沿扇形或圆形分度盘的转动来表示衡量结果。电子秤的示值系统为称重显示器，它有数字显示和模拟刻度显示两种。

发展趋势衡器发展的重点是电子衡器。程控、群控、电传打印记录、屏幕显示等现代电子技术的配套使用，将使衡器功能齐全，效率更高。采用放射性原理和液压传动比原理的计量设备将得到有限的发展。在称重与生产过程的结合中，机电结合式衡器具有较好的经济效果，预计其应用范围将进一步扩大。在具备基本计量性能的同时，对衡器的商用价值和可靠性要求也将逐步提高。衡量价值较高的商品时，要求其计量准确度较高；衡量价值较低的商品时，则主要考虑计量效率。这将促使衡器向多样化、多层次方向发展。

生活中的衡器有天平、桌秤、台秤、吊秤、平地磅、汽车衡等，种类有电子计重秤、高精电子秤、计价秤、计数秤、防水秤、防腐秤、牲畜秤、液压叉车秤、钢瓶秤等。

简史衡器是在商品的交换过程中产生和发展的。人类最早使用的衡器是原始天平。约在公元前5000年，埃及就已使用等臂天平秤(图1 )。它是在简易杠杆中点设一支点，在杠杆一端(图中右端)的盘（钩）上放置被测物，在另一端（图中左端）的盘上逐个放置形状、质量一样的物体，当这种装置平衡时，就意味着两边的质量相等，并可从左端物体的个数推定右端被测物的质量。

中国的度量衡制始于公元前2500年的“黄钟”律。据记载，“度本于黄钟之长，量本于黄钟之仑，权衡本于黄钟之重”。黄钟器已失传。夏代，中国始用权衡作为称重器具。权相当于砝码，衡指杠杆。杠杆正中有一小孔用作支点，在杆的两端各悬有挂钩，一边挂被称物，一边挂权。每一副权衡都有一组权。权的重量逐一递增，以称不同重量。汉代出现木质杆秤，此后一直沿用了2000多年。

18世纪，苏格兰化学家J.布莱克首次将刀子、刀承应用在天平上，从而制得精确的称重器具。1831年，美国人T.费尔班克斯发明台秤，综合了不等臂杆秤和天平的优点，使各种机械式衡器趋于完善。20世纪中叶出现了简单的电子衡器，使衡器跨入电子时代。微处理机与称重传感器的结合引起了称重领域的变革，此后，微处理机在称重尤其是在动态称重方面的应用愈来愈广，已基本取代原来结构复杂的计算系统。微电子技术的不断发展，大规模、超大规模集成电路的出现，使得称重与过程控制等功能可以合并到同一电子单元中。20世纪80年代，电子衡器已遍及从微量称重到大型专业称重的各个领域，衡器产品已发展到上千个规格品种，静态准确度一般都在0.1％以上，动态准确度一般在1％～0.2％。

三、衡器配件

（一）传感器接线盒

由于传感器的关键材料：应变和弹性体各有差异及制造工艺方面的原因，造成各个传感器的参数不一致，主要是灵敏度不一致，通过调节接线盒里面的电位器来使各个传感器的灵敏度接近一致，从而保证整

E：为调桥压型号 SJ：为调信号配精密电阻

接线盒调节形式：

SP：为调信号配普通电阻 DL：为配数字式传感器

DA：为数字式线盒

调桥压的计算使用方法：（方便、快捷、省力）。大型电子衡器一般由多只传感器（1-12只）组成，下面以四只传感器组成的衡器为例，介绍计算调试方法。

调桥压接线盒原理

图中J1、J2为四只传感器

N：为传感器上加载时的称重仪表显示数据（设：N1>N2>N3>N4）

E：称重仪表的供桥电压， I：为自然数：2—12

Ui：为W电位器二端的电压， W：为电位器，初始：0欧姆

Ui=[(N大-N小)/N小]*E*1000(mV)（以四个传感器为例）

U1=[（N1-N4）/N4]*E*1000(mV)

U2=[(N2-N4)/N4]*E*1000(mV)

U3=[(N3-N4)/N4]*E*1000(mV)

用三位半数字万用表DC-2V档，顺时针调节W1，W2，W3电位器，同时用数字万用表监视将电压到U1，U2，U3数值。此时调角差工作全部完成。

例如：一台30吨的汽车衡，传感器的个数为4个，压角砝码为1吨，各压角的仪表显示值N1=1005，N2=1003，N3=1000，N4=998，称重仪表的供桥电压为5V。

则U1=[（1005-998）/998]*5*1000(mV)=35(mV)

U2=[（1003-998）/998]*5*1000(mV)=25(mV)

U3=[（1000-998）/998]*5*1000(mV)=10(mV) 顺时针调节(mV)W1，W2，W3电位器，同时用数字万用表监视电压到U1=35(mV)，U2=25(mV)，U3=10(mV)。（调桥压的接线盒，公司出厂时电位器阻值一般为0欧姆，定货时可以注明将电位电调在中间）

4、参照内电路板的示意：

J0：对应连接到称重仪表， +E：接正供桥电源，-E：接负供桥电源， +S：接正信号，-S：接负信号， GND：接地。

特点：■不锈钢外壳，专用密封接头，耐用、密封性好■采用高精度、低漂移电阻和电位器，保证系统工作的精度和稳定性■传感器连线和信号电缆连配用专用接线端子，保证连接可靠■接线焊接点旁注有代码标识，方便用户接线■角差可调，方便调校■有四位、六位、八位可供选择应用：应用于平台秤、料斗秤等多传感器并用的场合

HT9800-数字接线盒。产品简介：●不锈钢外壳●使用范围：数字接线盒可与普通模拟传感器及数字仪表组成数字电子秤。●主要性能△地址编程功能△线性修正功能△滤波级数修改功能△传感器标准化编程功能△ RS-485（半双工、抗静电）通讯，波特率9600 △数字接线盒有4、6、8、10通道可选择●技术参数：△输入信号范围： -18～+18mV △ A/D转换： 24位Sigma-Delta 模数转换△A/D采样频率： 38.400kHz △非线性：≤0.0015﹪F.S. △增益误差漂移： 0.5ppm/℃△最小分辨率：0.1uV/d △供桥电压： 5V/80mA（可接4个传感器）△工作温度： -40～ +85℃△储存温度： -60～+105℃△相对湿度：≤90﹪R.H △电源： DC 6～12V 推广价：5200元/台

（二）重量变送器

变送器是把各种信号，如电压、电流、压力、流量、电阻、温度......，变化为统一信号，1-5V （DC）,4--20MA,0--10V,0-5V,等供计算机、调节器处理. 传感器和变送器本是热工仪表的概念。传感器是把非电物理量如温度、压力、液位、物料、气体特性等转换成电信号或把物理量如压力、液位等直接送到变送器。变送器则是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件。或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源。根据需要还可将模拟量变换为数字量。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。还有一种变送器不是将物理量变换成电信号，如一种锅炉水位计的“差压变送器”，他是将液位传感器里的下部的水和上部蒸汽的冷凝水通过仪表管送到变送器的波纹管两侧，以波纹管两侧的差压带动机械放大装置用指针指示水位的一种远方仪表。当然还有把电气模拟量变换成数字量的也可以叫变送器。以上只是从概念上说明传感器和变送器的区别。

重量变送器主要面向工业控制领域（或其他需要模拟量输出的应用场所）的重量变送器。它集重量显示与模拟信号输出于一体，重量变送器前端信号采用高精度的24位专用A/D转换器，模拟信号输出采用16位的D/A转换器。采用小巧的盘装式铝合金外壳，可方便的嵌入控制柜。

各种常用传感器主要包括热敏传感器、电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、光电与光纤传感器、数字化传感器、智能传感器等。

（三）显示器

1．显示器类型

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，

故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

LED光源的特点：1）电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2）效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 3）适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境4）稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 5）响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级6）对环境污染：无有害金属汞 7）颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色8）价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。

LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。比CRT要好的多，但是价钱较其贵。根据电光效应，液晶材料可分为活性液晶和非活性液晶两类，其中活性液晶具有较高的透光性和可控制性。液晶板使用的是活性液晶，人们可通过相关控制系统来控制液晶板的亮度和颜色。

LCD投影机按内部液晶板的片数可分为单片式和三片式两种，现代液晶投影机大都采用3片式LCD板(图1)。三片式LCD投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到分色镜组，红色光首先被分离出来，投射到红色液晶板上，液晶板“记录”下的以透明度表示的图像信息被投射生成了图像中的红色光信息。绿色光被投射到绿色液晶板上，形成图像中的绿色光信息，同样蓝色光经蓝色液晶板后生成图像中的蓝色光信息，三种颜色的光在棱镜中会聚，由投影镜头投射到投影幕上形成一幅全彩色图像。三片式LCD投影机比单片式LCD投影机具有更高的图像质量和更高的亮度。LCD投影机体积较小、重量较轻，制造工艺较简单，亮度和对比度较高，分辨率适中，现在LCD投影机占有的市场份额约占总体市场份额的70%以上，是目前市场上占有率最高、应用最广泛的投影机。

LCD的主要技术参数 1）对比度LCD制造时选用的控制IC、滤光片和定向膜等配件，与面板的对比度有关，对一般用户而言，对比度能够达到350:1就足够了，但在专业领域这样的对比度平还不能满足用户的需求。相对CRT显示器轻易达到500：1甚至更高的对比度而言。只有高档液晶显示器才能达到这样如此程度，由于对比度很难通过仪器准确测量，所以挑的时候还是要自己亲自去看才行。提示：对比度很重要，可以说是选取液晶的一个比亮点更重要的指标，当你了解到你的客户买的液晶是用来娱乐看影碟，你们就可以强调对比度比无坏点更重要，我们在看流媒体时，一般片源亮度不大，但要看出人物场景的明暗对比，头发丝灰到黑的质感变化，就要靠对比度的高低来显现了．优派的VG和VX一直强调对比度的指标，VG910S是1000：1的对比度，我们当时拿这款和三星的一款用双头显卡对比测试，三星液晶就明显比不过，大家有兴趣可以试试．测试软件中的256级灰度测试中在平视时能看清楚更多的小灰格即是对比度好! 2）亮度LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能发光的，需借助要额外的光源才行。因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。最早的液晶显示器只有上下两个灯管，发展到现在，普及型的最低也是四灯，高端的是六灯。四灯管设计分为三种摆放形式：一种是四个边各有一个灯管，但缺点是中间会出现黑影，解决的方法就是由上到下四个灯管平排列的方式，最后一种是“U”型的摆放形式，其实是两灯变相产生的两根灯管。六灯管设计实际使用的是三根灯管，厂商将三根灯管都弯成“U”型，然后平行放置，以达到六根灯管的效果。提示：亮度也是一个比较重要的指标，越亮的液晶给人很远一看，就从一排液晶墙中脱颖而出，我们在CRT中经常见到的高亮技术（优派叫高亮，飞利浦叫显亮，明基叫锐彩）都是通过加大阴罩管的电流，轰击荧光粉，产生更亮的效果，这样的技术，一般是以牺牲画质，和显示器的寿命来换取的，所有采用此类技术的产品在缺省状态下都是普亮的，总要按个钮才能实行，按一下3X亮玩游戏;再按一变成5X亮看影碟，他细一看都变糊了，要看文本还得老实的回到普通的文本模式，这样的设计其实就是让大家不要常用高亮．LCD显示亮度的原理和CRT不一样，他们是靠面板后面的背光灯管的亮度来实现的．所以灯管要设计的多，发光才会均匀．早期卖液晶时和别人说液晶是三根以是很牛的事了，但当时奇美CRV，就搞出了一个六灯管技术，其实也就是把三管弯成了”U”型，变成了所谓的六根；这样的六灯管设计，加上灯管发光本身就很强，面板就看到很亮，这样的代表作在优派中以VA712为代表；但所有高亮的面板都会有一个致命伤，屏会漏光，这个术语一般人很少提及，编者个人认为他很重要，漏光是指在全黑的屏幕下，液晶不是黑的，而是发白发灰．所以好的液晶不要一味的强调亮度，而是要多强调对比度，优派的VP和VG系列就是不讲亮度，讲对比度的产品！ 3）信号响应时间响应

时间指的是液晶显示器对于输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮或由亮转暗的反应时间,通常是以毫秒（ms）为单位。要说清这一点我们还要从人眼对动态图像的感知谈起。人眼存在“视觉残留”的现象，高速运动的画面在人脑中会形成短暂的印象。动画片、电影等一直到现在最新的游戏正是应用了视觉残留的原理，让一系列渐变的图像在人眼前快速连续显示，便形成动态的影像。人能够接受的画面显示速度一般为每秒24张，这也是电影每秒24帧播放速度的由来，如果显示速度低于这一标准，人就会明显感到画面的停顿和不适。按照这一指标计算，每张画面显示的时间需要小于40ms。这样，对于液晶显示器来说，响应时间40ms就成了一道坎，低于40ms的显示器便会出现明显的画面闪烁现象，让人感觉眼花。要是想让图像画面达到不闪的程度，则就最好要达到每秒60帧的速度。

真空荧光显示屏VFD（Vacuum Fluorescent Display）是从真空电子管发展而来的显示器件，它的基础特性与电子管的工作特点基本相同。由发射电子的阴极（直热式，统称灯丝）、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极及栅网和玻盖构成。它利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是一种自身发光显示器件。VFD根据结构一般可分为二极管和三极管两种；根据显示内容可分为：数字显示、字符显示、图案显示、点阵显示；根据驱动方式可分为：静态驱动（直流）和动态驱动（脉冲）。显示发光形式有点阵式和固定图形、文字式等。由于它可以做多色彩显示，亮度高，又可以用低电压来驱动，易与集成电路配套，所以被广泛应用在家用电器、办公自动化设备、工业仪器仪表及汽车等各种领域中。在音箱面板上主要用来显示调节音量的高低状态，显示声音信号的强弱高低。

OLED （Organic Light Emitting Display）即有机发光显示器,在手机LCD上属于新型产品,被称誉为“梦幻显示器”。OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。而且OLED显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著的节省耗电量。目前在OLED的二大技术体系中，低分子OLED技术为日本掌握，而高分子的PLED（LG手机的所谓OEL就是这个体系的产品）的技术及专利则由英国的科技公司CDT的掌握，两者相比PLED产品的彩色化上仍有一定困难。不过，虽然将来技术更优秀的OLED可能会取代TFT等LCD，但有机发光显示技术还存在着使用寿命短、屏幕大型化难等缺陷。有机电致发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。对于有机电致发光器件，我们可按发光材料将其分为两种: 小分子OLED和高分子OLED（也可称为PLED）。它们的差异主要表现在器件的制备工艺不同:小分子器件主要采用真空热蒸发工艺，高分子器件则采用旋转涂覆或喷墨工艺。OLED的发光原理：有机发光显示技术由非常薄的有机材料涂层和玻璃基板构成。当有电荷通过时这些有机材料就会发光。OLED发光的颜色取决于有机发光层的材料，故厂商可由改变发光层的材料而得到所需之颜色。有源阵列有机发光显示屏具有内置的电子电路系统因此每个像素都由一个对应的电路独立驱动。OLED具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点，技术提供了浏览照片和视频的最佳方式而且对相机的设计造成的限制较少。

OLED的特点：OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易彩色化、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单、可制作成挠曲式面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。显示方面：主动发光、视角范围大；响应速度快，图像稳定；亮度高、色彩丰富、分辨率高。工作条件：驱动电压低、能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。适应性广：采用玻璃衬底可实现大面积平板显示；如用柔性材料做衬底，能制成可折叠的显示器。由于OLED是全固态、非真空器件，具有抗震荡、耐低温（-40℃）等特性，在军事方面也有十分重要的应用，如用作坦克、飞机等现代化武器的显示终端。由于上述优点，在商业领域OLED显示屏可以适用于POS机和ATM机、复印机、游戏机等；在通讯领域则可适用于手机、移动网络终端等领域；在计算机领域则可大量应用在PDA、商用PC和家用PC、笔记本电脑上；消费类电子产品领域，则可适用于音响设备、数码相机、便携式DVD；在工业应用领域则适用于仪器仪表等；在交通领域则用在GPS、飞机仪表上等。

（四）称重传感器

1、称重传感器原理。传统概念上，负荷传感器是称重传感器、测力传感器的统称，用单项参数评价它的计量特性。旧国标将应用对象和使用环境条件完全不同的“称重”和“测力”两种传感器合二为一来考虑，对试验和评价方法未给予区分。旧国标共有21项指标，均在常温下进行试验；并用非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差6项指标中的最大误差，来确定称重传感器准确度等级，分别用0.0

2、0.0

3、0.05......1.0表示。衡器上使用的一种力传感器。它能将

作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用综合误差带来综合控制传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带(图1)联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定，传感器的误差带δ占衡器误差带Δ的70％，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ。这就允许制造厂对构成计量总误差的各个分量进行调整，从而获得期望的准确度。

称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

光电式传感器包括光栅式和码盘式两种。光栅式传感器利用光栅形成的莫尔条纹把角位移转换成光电信号（图2）。光栅有两块，一为固定光栅，另一为装在表盘轴上的移动光栅。加在承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转，带动移动光栅转动，使莫尔条纹也随之移动。利用光电管、转换电路和显示仪表，即可计算出移过的莫尔条纹数量，测出光栅转动角的大小，从而确定和读出被测物质量。

码盘式传感器（图3）的码盘（符号板）是一块装在表盘轴上的透明玻璃，上面带有按一定编码方法编定的黑白相间的代码。加在承重台上的被测物通过传力杠杆使表盘轴旋转时，码盘也随之转过一定角度。光电池将透过码盘接受光信号并转换成电信号，然后由电路进行数字处理，最后在显示器上显示出代表被测质量的数字。光电式传感器曾主要用在机电结合秤上。

液压式传感器如图4所示，在受被测物重力P作用时，液压油的压力增大，增大的程度与P成正比。测出压力的增大值，即可确定被测物的质量。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。

电磁力式传感器它利用承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理工作（图5）。当承重台上放有被测物时，杠杆的一端向上倾斜；光电件检测出倾斜度信号，经放大后流入线圈，产生电磁力，使杠杆恢复至平衡状态。对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，即可确定被测物质量。电磁力式传感器准确度高，可达 1/2000～1/60000，但称量范围仅在几十毫克至10千克之间。

电容式传感器它利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d 的正比例关系工作(图6 )。极板有两块，一块固定不动，另一块可移动。在承重台加载被测物时，板簧挠曲，两极板之间的距离发生变化，电路的振荡频率也随之变化。测出频率的变化即可求出承重台上被测物的质量。电容式传感器耗电量少，造价低，准确度为1/200～1/500。

磁极变形式传感器如图7所示，铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形时，内部产生应力并引起导磁率变化，使绕在铁磁元件（磁极）两侧的次级线圈的感应电压也随之变化。测量出电压的变化量即可求出加到磁极上的力，进而确定被测物的质量。磁极变形式传感器的准确度不高，一般为1/100，适用于大吨位称量工作，称量范围为几十至几万千克。

振动式传感器弹性元件受力后，其固有振动频率与作用力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出被测物作用在弹性元件上的力，进而求出其质量。振动式传感器有振弦式和音叉式两种。

振弦式传感器（图8 ）的弹性元件是弦丝。当承重台上加有被测物时，V形弦丝的交点被拉向下，且左弦的拉力增大，右弦的拉力减小。两根弦的固有频率发生不同的变化。求出两根弦的频率之差，即可求出被测物的质量。振弦式传感器的准确度较高，可达1/1000～1/10000，称量范围为100克至几百千克，但结构复杂，加工难度大，造价高。

音叉式传感器(图9 )的弹性元件是音叉。音叉端部固定有压电元件，它以音叉的固有频率振荡，并可测出振荡频率。当承重台上加有被测物时，音叉拉伸方向受力而固有频率增加，增加的程度与施加力的平方根成正比。测出固有频率的变化，即可求出重物施加于音叉上的力，进而求出重物质量。音叉式传感器耗电量小，计量准确度高达 1/10000～1/200000，称量范围为500g～10kg。

陀螺仪式传感器如图10所示，转子装在内框架中，以角速度ω绕X轴稳定旋转。内框架经轴承与外框架联接，并可绕水平轴 Y 倾斜转动。外框架经万向联轴节与机座联接，并可绕垂直轴Z 旋转。转子轴 (X轴)在未受外力作用时保持水平状态。转子轴的一端在受到外力(P/2)作用时，产生倾斜而绕垂直轴Z 转动（进动）。进动角速度ω与外力P/2成正比，通过检测频率的方法测出ω，即可求出外力大小，进而求出产生此外力的被测物的质量。

陀螺仪式传感器响应时间快(5秒)，无滞后现象，温度特性好（3ppm），振动影响小，频率测量准确精度高，故可得到高的分辨率(1/100000)和高的计量准确度(1/30000～1/60000)。

电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作（图11）。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上

的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。

电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg，计量准确度达1/1000～1/10000，结构较简单，可靠性较好。大部分电子衡器均使用此传感器。

其实称重传感器就是压力传感器，形状不一样而已，通常有很多种方法传感的，但我见到，用得比较多，比如地磅用的那些，一般为电涡流式也就是说，他有一个电涡流触发绕组，然后还有一个传感器感应电涡流强度由于这个传感器整体是金属封装，电涡流在其内部，受到压后形变，涡流就发生变化，放大后就可以读到数据了然后，封装这个东西的材料，通常选用刚性材料，总之，就是一般的金属，比如钢，但肯定不会用很软的东西的。至少电涡流方式传感的压力传感器，是不会用软金属制造的。因为即使是钢，就算受到压力形变那么几微米，那么电涡流的变化也足够感应出到底变化了多少而且如果是软金属，称很重东西的时候，可能很容易出问题。

一、什么是传感器？

传感器是将被测的某一物理量（或信号）按一定的规律转换为与其对应的另一种（或同种）物理量（或信号）输出的装置。

被测物理量传感器输出物理量

二、传感器发展方向

1. 高精度、高灵敏度；

2. 高可靠性、宽温度范围、抗干扰强；

3. 微型化（小尺寸、重量轻）和高强度；

4. 微功耗及无源化；

5. 智能化、数字化、高响应速率；

6. 互换性好，成本低，安全无污染方向；

7. 抗环境影响(热、振动、酸、碱、水、空气)能力强方向

8. 仿生传感器：将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：

1) 光敏——视觉；2) 声敏——听觉； 3) 气敏——嗅觉；

4) 化学——味觉；5) 压敏、温敏、流体传感器——触觉

第二节称重传感器工作原理

一、称重传感器的基本知识

1. 定义：GB/T7551-1997《称重传感器》

考虑到使用地点的重力加速度（g）和空气浮力（f）的影响后，通过把其中一种被测量（质量）转换成另外一种被测量（输出）来测量质量的力传感器。

被测量（质量）称重传感器输出

2. 组成

敏感元件+传感元件+测量电路

其中：敏感元件——电阻应变计；传感元件——弹性体；测量电路——惠斯通电桥

二、电阻应变计工作原理

以金属材料为转换元件的电阻应变计，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻——应变效应。

所谓应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。如下图所示：

1. 受力前（F=0）电阻值

R=ρ*L/S （1）

式中R——金属丝的电阻（Ω）；ρ——金属丝的电阻率（Ω*M）；

L——金属丝的长度（m）；S——金属丝的横截面积（m2）（πD2/4）

D——金属丝的直径（m）

2. 受力后（F＞0）电阻变化值

⊿R=R*Kε（2）

式中⊿R——电阻变化量；R——原始电阻值；

K——应变计的灵敏系数；ε——轴向应变

结论：金属丝拉伸，电阻值增加；

金属丝压缩，电阻值减小

3. 几种常见的电阻应变计外形

4. 电阻应变计的组成部分

5. 我公司常用应变计的阻值（Ω）

350；700；1000

三、称重传感器的工作原理

1. 两个典型的力学模型

当F＞0时，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被压缩，阻值减小。

2. 惠斯顿电桥

在应变计的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥电路。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。

电桥根据电源的性质分直流电桥和交流电桥两种，当Ui为直流时该电桥为直流电桥。电桥电路如上图所示，它的四个桥臂由R1、R2、R3、R4组成。

1) 直流电桥的电压输出

根据分压原理，从D-A-C半桥来看，从D经A到C的电压降为Ui，通过R1、R2的电流

I1=Ui/（R1+R2）（1）

R2上的电压降为I1R2，代入（1）得

U AC=Ui*R2/（R1+R2）（2）

同样，D-B-C半桥的电压降也是Ui，R3上的电压降为：

U BC=Ui*R3/（R3+R4）（3）

则输出电压U O是U BC与U AC之间的差，即

R1R3-R2R4

U O=U BC-U AC= Ui （4）

（R1+R2）（R3+R4）

由（4）可知，当桥臂电阻满足如下条件时，即

R1R3=R2R4 （5）

电桥的输出电压U O=0，电桥处于平衡状态。

为了保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（置零），这样输出电压只与应变计感受应变所引起的电阻变化有关。

2) 按上述力学模型解释：

当F=0时，R1R3=R2R4；U0=0；

当F＞0时，R1、R3增加，R2、R4减小，U0＞0。

若欲得到与上述电信号相反的结果时，只需将A与C（或B与D）之间的电源正、负极互换即可。

3) 当桥臂电阻的阻值发生变化时，电桥的输出电压也随着发生变化，当⊿R<

本节需掌握重点：

1、应变计的工作原理；

2、电阻应变计的结构组成；

3、测量电路作业原理；

4、称重传感器的主要组成部分；

5、我公司常用电阻应变计的阻值。

第三节称重传感器的补偿

一、常见补偿内容：

1. 零点不平衡输出调整；

2. 零点温度补偿；

3. 弹性模量补偿；

4. 非线性补偿；

5. 灵敏度补偿；

6. 输入电阻调整；

二、补偿原理图

R1~R4：桥路应变计电阻；（常规为350Ω）

作用：直接感受弹性体的应变。

R Z：零点补偿电阻；

作用：把空载输出信号调整到要求范围；

材料：康铜丝（电阻温度系数小）；

特性：对温度不敏感

R T：零点温度补偿电阻；

作用：把空载下因环境温度的变化而引起的漂移加以补偿；

材料：镍电阻

特性：对温度敏感

R M：弹性模量补偿电阻；

作用：补偿因环境变化造成的传感器满负荷输出的变化；

材料：镍丝、镍片电阻

特性：对温度敏感

R M’：弹性模量补偿线性化调整电阻；

作用：调整弹模补偿的效果；

材料：金属膜电阻；

特性：对温度不敏感

R L：线性补偿电阻；

作用：调整传感器天然非线性误差，使呈线性；

材料：半导体应变计

特性：对温度敏感

R L’：线性补偿调整电阻；

作用：调整线性补偿效果

材料：金属膜电阻

特性：对温度不敏感

R S：灵敏度补偿电阻；

作用：调整传感器满负荷输出，使具有互换性；

材料：康铜丝

特性：对温度不敏感

R j：输入电阻调整电阻

作用：调整传感器输入电阻，使具有互换性；

材料：金属膜电阻

特性：对温度不敏感

三、为什么要进行上述补偿？

1. 零点补偿（Rz）

有些使用场合，当传感器零点超过一定范围时，现场仪表显示异常（不接收或溢出），或者控制系统报警、失控等。

2. 零点温度补偿（Rt）

室外作业的电子衡器或其他称重检测装置，当传感器感受不同温度（如早上与中午的温差），其内部电阻值产生相应变化，最终反馈到显示或控制装置，使系统作业出现异常如数字不稳或系统零位偏差等，影响正常工作。

3. 弹性模量补偿（Rm）

弹性体金属材料自身都有弹性模量（E）且随温度的变化而产生微量变化，在同样的测量负荷下，天热时仪表显示的读数要大于天冷时的读数（称量产生了偏差）。这对于高精度计量是不允许的。

4. 非线性补偿

是针对纯柱式结构传感器先天性线性不良传感器而言，通过补偿可有效改进传感器的精度，满足高精度计量要求。

5. 灵敏度补偿

如果一张桌子有3或4条腿，当3或4条腿长度不一致时，桌子便不稳固，容易倒掉。

同样，对一台由2个以上传感器组成的电子衡器而言，若传感器的灵敏度不一致，那么这台衡器便处于非稳态，被称物品在秤台的不同方位会得到不同的结果，而最多只有一个结果是正确的。这种情况是衡器产品所不允许的，无法完成“公平交易”的目的。

6. 输入电阻调整

同灵敏度补偿情况。

本节需掌握重点：

1、称重传感器常见六大补偿

2、进行六大补偿的原因

3、灵敏度不一致可能导致的结果

称重传感器常用技术参数

用分项指标表示法在介绍称重传感器技术参数时，传统的方法是采用分项指标，其优点是物理意义明确，沿用多年，熟悉的人较多。

我们现在列出其主要项目如下：

*额定容量生产厂家给出的称量范围的上限值。

*额定输出（灵敏度）加额定载荷时和无载荷时，传感器输出信号的差值。由于称重传感器的输出信号与所加的激励电压有关，所以额定输出的单位以mV/V来表示。并称之为灵敏度。*灵敏度允差传感器的实际稳定输出与对应的标称额定输出之差对该标称额定输出的百分比。例如，某称重传感器的实际额定输出为2.002mV/V，与之相适应的标准额定输出则为

2mV/V，则其灵敏度允差为：（（2．002 – 2。000）/2.000）*100% = 0.1%

*非线性由空载荷的输出值和额定载荷时输出值所决定的直线和增加负荷之实测曲线之间最大偏差对于额定输出值的百分比。

*滞后允差从无载荷逐渐加载到额定载荷然后再逐渐卸载。在同一载荷点上加载和卸载输出量的最大差值对额定输出值的百分比。

*重复性误差在相同的环境条件下，对传感器反复加荷到额定载荷并卸载。加荷过程中同一负荷点上输出值的最大差值对额定输出的百分比。

*蠕变在负荷不变（一般取为额定载荷），其它测试条件也保持不变的情形下，称重传感器输出随时间的变化量对额定输出的百分比。 *零点输出在推荐电压激励下，未加载荷时传感器的输出值对额定输出的百分比。 *绝缘阻抗传感器的电路和弹性体之间的直流阻抗值。 *输入阻抗信号输出端开路，传感器未加负荷时，从电源激励输入端测得的阻抗值。 *输出阻抗电源激励输入端短路，传感器未加载荷时，从信号输出端测得的阻抗。

*温度补偿范围在此温度范围内，传感器的额定输出和零平衡均经过严密补偿，从而不会超出规定的范围。

*零点温度影响环境温度的变化引起的零平衡变化。一般以温度每变化10K时，引起的零平衡变化量对额定输出的百分比来表示。

*额定输出温度影响环境温度的变化引起的额定输出变化。一般以温度每变化10K引起额定定输出的变化量额定输出的百分比来表示。

*使用温度范围传感器在此温度范围内使用其任何性能参数均不会产生永久性有害变化

二、在《OIML60号国际建议》中采用的术语。以《OIML60号国际建议》９２年版为基础，参考《JJG669--90称重传感器检定规程》新的技术参数大致有：

*称重传感器输出被测量（质量）通过称重传感器转换而得到的可测量。 *称重传感器分度值称重传感器的测量范围被等分后其中一份的大小。

*称重传感器检定分度值（V）为了准确度分级，在称重传感器测试中采用的，以质量单位表达的称重传感器分度值。

*称重传感器最小检定分度值（Vmin）称重传感器测量范围可以被分度的最小检定分度值勤。*最小静负荷（Fsmin）可以施加于称重传感器而不会超出最大允许误差的质量的最小值。 *最大称量可以施加于称重传感器而不会超出最大允许误差的质量的最大值。

*非线性（L）称重传感器进程校准曲线与理论直线的偏差。

*滞后误差（H）施加同一级负荷时称重传感器输出读数之间的最大差值；其中一次是由最小静负荷开始的进程读数，另一次是由最大称量开始的回程读数。

*蠕变（Cp）在负荷不变，所有环境条件和其它变量也保持不变的情况下，称重传感器满负荷输出随时间的变化。

*最小静负荷输出恢复植（CrFsmin）负荷施加前，后测得的称重传感器最小静负荷输出之间的差值。

*重复性误差（R）在相同的负荷和相同的环境条件下，使连续数次进行实验所得的称重传感器输出读数之间的差值。

*温度对最小静负荷输出的影响（Fsmin）由于环境温度变化而引起的最小静负荷输出之间的变化。

*温度对输出灵敏度的影响（St）由于环境温度变化而引起的输出灵敏度的变化。

*称重传感器测量范围被测量（质量）值范围，测量结果在此范围内不会超出最大允许误差。*安全极限负荷可以施加于称重传感器的最大负荷，此时称重传感器在性能特征上，不会产生超出规定值的永久性漂移。

*温湿度对最小静负荷输出影响（FsminH）由于温湿度变化而引起的最小静负荷输出的变化。*温湿度对输出灵敏度的影响由于温湿度变化而引起的输出灵敏度的变化。

此外，在《JJG699—90称重传感器检定规程》中，还列出了一个技术参数，即

*最小负荷（Fmin）力发生装置能达到的最接近称重传感器最小静负荷的质量值。正是因为传感器测量时，总要在测力机上进行，而又很难直接测量最小静负荷点性能。再要说明一点，《OIML60号国际建议》是专门为称重传感器而制定的，它对称重传感器的评定的出发点就是要适应衡器的要求。当传感器用于其它目的时，这种评估方式不一定最合适。

称重传感器技术参数基本定义：

（1）额定载荷：传感器在规定技术指标范围内能够测量的最大轴向负荷。但实际使用时，一般只用额定量程的2/3~1/3。

（2）允许使用负荷（或称安全过载）：称重传感器允许施加的最大轴向负荷。允许在一定范围内超负荷工作。一般为120%~150%。

（3）极限负荷（或称极限过载）：称重传感器能承受的不使其丧失工作能力的最大轴向负荷。意即当工作超过此值时，传感器将会受到损坏。

（4）灵敏度：输出增量与所加的负荷增量之比。通常每输入1V电压时额定输出的mV。

（5）非线性：这是表征此传感器输出的电压信号与负荷之间对应关系的精确程度的参数。

（6）重复性：重复性表征传感器在同一负荷在同样条件下反复施加时，其输出值是否能重复一致，这项特性更重要，更能反映传感器的品质。国标对重复性的误差的表述：重复性误差可与非线性同时测定同一试验点上3次测量的实际输出信号值之间的最大差值（mv）。

（7）滞后：滞后的通俗意思是：逐级施加负荷再依次卸下负荷时，对应每一级负荷，理想情况下应有一样的读数，但事实上下一致，这不一致的程度用滞后误差这一指标来表示。国标中是这样来计算滞后误差的：同一试验点上3次行程实际输出信号值的算术平均与3次上行程实际输出信号值的算术平均之间的最大差值（mv）。

（8）蠕变和蠕变恢复：要求从两个方面检验传感器的蠕变误差：其一是蠕变：在5-10秒时间无冲击地加上额定负荷，在加荷后5-10秒读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。其二是蠕变恢

复：尽快去掉额定负荷（在5-10秒时间内），卸荷后在5-10秒内立即读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。

（9）允许使用温度：规定了此称重传感器能适用的场合。例常温传感器一般标注为：-20℃ - +70℃。高温传感器标注为：-40℃ - 250℃。

（10）温度补偿范围：说明此传感器在生产时已在这样的温度范围内进行了补偿。例常温传感器一般标注为-10℃ - +55℃。

（11）零点温度影响（俗称零点温漂）：表征此传感器在环境温度变化时它的零点的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。

（12）输出灵敏系数的温度影响（俗称系数温漂）：此参数表征此传感器在环境温度变化时输出灵敏度的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。

（13）输出阻抗：在额定技术条件下,传感器的输出的电阻值S+ S- [I+ I-]

（14）输入阻抗：称重传感器的激励端的电阻值,E+ E- [V+ V-]

（15）绝缘阻抗：传感器的电路部分与弹性梁之间的绝缘阻值,越大越好，绝缘电阻的大小会影响传感器的各项性能。而当绝缘阻抗低于某一个值时，电桥将无法正常工作。

（16）推荐激励电压：一般为5~12伏。因一般称重仪表内配的稳压直流电源为5或12伏。

（17）允许最大激励电压：传感器最大可以承受的供电电压，不推荐使用最大激励电压。

（18）电缆长度：出厂时厂家标准配置的电缆长度。最好不要擅自增加和减小。

（19）密封防护等级IP67：称重传感器的防尘和防水的性能指标。(end)