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地磅稱重傳感器技術參數解讀
本文著重講解如何根據相對DR或Z和V.或Y兩個參數來設計稱重器， 并列舉了兩個實例，單只傳感器和四只傳感器的應用。并論證了用C3級傳感器可以設計 n=4000分度的衡器。DR或Z和或Y這兩個參數是設計地磅的主要依據。
稱重傳感器的品質決定了地磅的精度和可靠 性。所以說稱重傳感器是稱重系統的心臟。地磅特別是貿易用的衡器，都是屬于國家強制檢定的 計量器具，所以無論是使用何種原理的稱重傳感 器所制造的衡器，都必須滿足國家標準或標 準。但至今除應變式稱重傳感器有依照非自動衡器規則來制定的標準和檢定規程，還沒有其它類 型的稱重傳感器有與之相類似的標準和檢定規程。 幸運的是，現在使用的衡器百分之九十左右都是 使用應變式傳感器慶平除外。這對我們使用應 變傳感器來設計和制造衡器帶來了很大的方便。 本文主要討論應變式傳感器技術參數的有關問題。
為了便于了解應變式傳感器與電子衡器間的 關系，即R60和R76間的關系，先簡單介紹一下 有關歷史。
1938年Simmons和Ruge發明了應變計，用來 測量應變，主要用于軍工和工程方面。到1966年 PTB發表了將應變傳感器用于機電結合稱重裝置 的文章，此時傳感器的精度已達到0.1%,并通過 了產品認證。1976年PTB發表了應變式傳感器首 次試驗檢定的文章，該檢定是根據稱重機IR3 OIML規則和71/316/EEC歐洲指令。然而此時是根 據應變式力傳感器的技術指標來試驗。它與衡器 的計量要求和技術指標之間存在差異和不同要求。 特別是之后電子衡器的迅速發展、應變式力傳感器單項的技術指標與非自動衡器用分段階梯的 大允許誤差限間存在根本性的差異。迫切需要制定能與非自動衡器計量要求和技術要求相適應的 稱重傳感器的標準和計量檢定規程。從上世紀八十年代初，OIML組織就著手編制適于非自動衡器 的稱重傳感器建議和適用電子衡器的非自動衡器建議，即R60和R76號建議。1992 年版的R76號建議（包括1994的修訂本的基本 規則是非自動衡器計量稱重要求的版本。 R60在1991年、1993年發布了包括有計算程序和 試驗報告的建議。該建議是根據R76號建議的計 量要求和技術要求專門制定的適用于衡器要求的 傳感器的建議。并在1995年巴黎召開的 eighing Towards the Year 2000?的會上進行了首 次修改，并由PTB的B.MEIBNER以題為'"Reflections on NAMIs Module ?Load Cell 的文章 對R60的內容做了講釋，這篇文章對我們了解 R60以及與R76間的關系很有幫助。之后的修定 版本，在基本原則上沒有改變。
R60的計量要求是根據R76制定與R76 —樣 也是分為四個精度級別，A、B、C或D與非自動 衡器的四個級別I、II、III或IV相對應。對傳感 器大允許誤差的分量系數PiC=0.7他可選定在 0.3?0.8范圍內，三級和四級秤和與之對應的C 級和D級傳感器的誤差限如表1所示。
非自動秤的梯形誤差包絡限是由下述試驗確定：
非線性+滯后+靜態溫度試驗 注意此誤差不包括蠕變和零點溫度的影響。 傳感器的誤差限基本上也是根據衡器的試驗程序 確定。從原則上講，根據這樣對應關系，用C3級 傳感器來設計三級秤可供貿易用秤是*能 滿足要求。給設計者帶來很大方便。
由于技術進步以及微處理機在稱重系統中的 運用，對傳感器和衡器帶來了以下四個方面的新 發展：
•平臺秤用的單點稱重傳感器 •數字傳感器 •多分度稱重裝置 •多范圍量程稱重裝置。
所以在新的R60 (2000年版中增加了對數 字傳感器的試驗和兩項非強制性的參數：相對DR 或Z和相對Vmn或Y。這兩個參數雖然是非強制 性，但對我們設計衡器卻非常重要。
因此，要求傳感器需給出以下參數的補充認 證檢定證書：
?傳感器的大秤量.Ema (kg ?大檢定分度數.niΚax
?小檢定分度值：Vmi?(kg 根據OIML R60得到的Cmdkh值是以V為單 位，需根據下式計算得出DR值。
DR= (Cmsjcrx Em) /nMox ?靈敏度： mv/v ?輸入電阻：Q ?供電電壓：V •防護等級 •電線長度
這些參數是設計衡器的基本參數，首先根據 衡器量程選擇傳感器的大秤量。
傳感器的檢定分度數：ni?=E_/V 衡器的檢定分度數：n=Mx/e 傳感器額定量程：丑腿、Em,?
衡器的秤量范圍：Mx, Min=20e 傳感器檢定分度值：V、V?
衡器檢定分度值：e、e?
通常使用的衡器要求滿足貿易n要求，即三 級秤的要求。為此應選用C3級傳感器。對于C3 級傳感器，當分度n=3000時，大允許誤差為衡 器大允許誤差的Plc倍，其中mpe為衡器的大 允許誤差，Plc為分量系數，通常p?0.7。
必須記住對于C3級傳感器的3000分度，并 不是它的大不能超過的誤差限的分度數。它的 大分度數如咖^ 3000,由DR或Z值確定， Z=E_/ (2DR 和 Z Mxifa/e—對 C3 級傳感器。nMra 值一般為3000至10000。由它決定了傳感器的測 量結果不超過大允許誤差（m^的測量范圍，可 分成的大分度數nM«„。同時也確定了用它制造的 衡器的小分度值e„„。
傳感器的小檢定分度V?或Y也是設計衡 器的重要參數。V?為溫度每變化5蚓傳感器零點 的漂移值，HJNmn。它決定了在傳感器不超過 大允許誤差使用范圍內的大分度數。通常Y 值比Z值大兩至三倍。應注意Y與nc無關，下面 是根據OIML R60文本中所舉例來了解Y和Z的 具體數值。
Class C3、nLc=3000、Y=12000、Z=4000 E_=100Kg、300Kg、500Kg、5000Kg、10t、 30t 和 50t
Class C6 ： nL=6000、Y=18000、Z=6000 Emat=50Kg、100Kg、300Kg 和 500Kg 下面我們用實例來說明如何根據這些參數來 設計衡器。
根據歐洲EN45502、4, 2, 1,傳感器的E- 和衡器的Max^,之間應滿足下要求：
E—乏(MaxMjj+DL+IZSR+NUD+T) /N 式中：N—傳感器的數目；
DL 死載荷；
IZSR?初始的零點的設置范圍：
NUD 載荷非均勻分布，即角偏誤差；
T?附加皮重。
并推薦對傳感器容量的快速估計法。
Mxm?N. E腿=0.25 …0.5
相對Vmn或Y和相對DR或Z是設計衡器非常 重要的兩個參數。特別是設計多量程和多分度衡 器的根據。由此二參數決定所選的傳感器是否滿 足多量程衡器和多分度衡器的要求。
•多量程衡器MR
雙量程 三量程：
DR=0.5e,由 至 0 (DRS e)
V,^?1.0ell 由 開始至 0
Y=E?/V腿或
^min?emiJ 姨^
ZS 0.4MaxMat/emin (當 DR 未知時 雙量程衡器：高Y值 三量程衡器：高Y值和高Z值 •多分度衡器MI 雙分度一三分度：
DR=0.5e1 由 Maxi 至 0 ZEmJ (2DR ZS MaxM?eè
雙分度衡器：高Y值和高Z值 三分度衡器：高Y值和特高Z值 再重復一下，Y和Z值與niC和階梯誤差限無 關。下面舉實例在設計多量程和多分度衡器時， 如何確定Z和Y值。
•用100Kg單點式傳感器，設計一臺三量程秤。
要求：60Kg/20g; 30Kg/10g 和 15Kg/5g,靜載 何為15Kg;初始零點范圍10Kg。
每一量程分度精度均為n=3000,即： n=Max/e=60Kg/20Kg=3000 Y=EmII/Vmin=100Kg/0.005Kg=20000 和 Z=0.4 ?MaxMa*/em,n=0.4 ?60Kg/0.005Kg=4800 可選Y=25000, Z=6000的傳感器。在供電電 壓為5V,傳感器的靈敏度為2mv/V時，e„„的輸出 電壓為：
emin=2mv/V* 5V* 0.005Kg/100K^0.0005mv=0.5^ V 據此可選適用于顯示器，現在一般顯示器均可達 0.4^ V/VSL。
?用四只3000Kg傳感器設計大秤量 Max=3000Kg的雙分度地秤。在國外認為地秤的載 荷非均勻分布值（NUI)很高。在本例中 NUD=1500Kg。以保護傳感器在稱重過程中不被破 壞。
要求：3000Kg/1Kg 和 500Kg/0.5Kg,靜載荷 1500Kg;初始零點范圍 500Kg 和 NUD=1500Kg。每一量程分度精度均為n=3000,即： n=3000Kg/1Kg=3000
YS Em* VN/em?3000Kg.2/0.5Kg=12000 ZS MaxMax/emin=3000Kg/0.5K^6000 可選用Y=23000和Z=6000的傳感器。用上例 方法確定e?的輸出電壓，選擇顯示器。
中國也有多量程式多分度的衡器，若不能根 據傳感器的Z和Y來選擇合適的相應的傳感器， 是不能制造出合格的多量程和多分度衡器。國外 大稱量秤為多量程衡器，小稱量，特別是商用秤 多為多分度衡器。
中國制造稱重傳感器的廠家，不太了解衡器 的設計和制造、使用。對于Z和Y兩個參數，對 衡器的設計和制造的重要性不是很重視。衡器制 造廠家，也幾乎認為只要傳感器達C3級就可以用 來設計出優良的III級秤，實際上同為C3級的傳感 器，Z和Y可有很大的差異，不少C3級傳感器是 達不到設計多量程和多分度秤的要求。
國內不少生產汽車衡的廠家，根據用戶的要 求、生產出4000分度的汽車衡。下面通過分析看 看是否有理論依據。
用四只C3級100t傳感器設計一臺200t，n=4000分度的汽車衡：
傳感器 E_=100t, nic=3000, Z=3000 求傳感器靜載荷輸出恢復DR和分度值e 2-DR=姨4 -100t/3000=2-33.3Kg=66.6Kg e=100t/3000=33.3Kg 大允許誤差
mpe=姨4 -e=2x 33.3Kg-PiC Plc=0.7 所以傳感器的大允許誤差mpe=46.6Kg 根據OIMLR60,上面求的靜載荷輸出恢復DR 為在加載接近E麗時的恢復值。而衡器的零點恢復 值是在大秤量值D (Max測得。通常用MDLOR表 示傳感器在載荷E麗下測得的靜載荷輸出恢復值， 它與衡器載荷為D (Max測得的傳感器DR值之間 存在以下關系。
DR=MDLOR * D (Max /E 腿 在此時DR=33.3Kgx 200t/400t (在均勻加載結 論)=16.7Kg
200t衡器，當分度數為n=4000時，分度值e
為：
e=4000 =50Kg,即 mpe=e=50Kg。
根據OIML R76,非自動衡器回零的偏差不得 超過± 0.5e,在此時為± 25Kg 將計算結果做比較。
如表2所示。對D3級傳感器，Y2 10000是起碼的要求。 再估計顯示器的要求，通常顯示器橋壓為5V, 小一位示值0.4pV/e。針對現選定的傳感器，靈敏 度為 20mv/V, E_=100t。
^ V/e=20mv/Vx 5V 50Kg/(100tx 4) =500mv/400t=1.25p V/e>0.4^V/e 從上述理論分析，可得出結論：用C3級傳感 器，可以制作n=4000分度的III級秤。但是對大噸 位的傳感器的DR值，一般傳感器生產廠沒有條件 測量。給設計者帶來不確定性。值得注意的是，對地磅之類的戶外用衡器，由于風力等環境條 件的影響，即使是n=3000分度的衡器，要確保測 量精度也有一定問題，所以n=4000分度在戶外使 用的衡器欲保證測量精度就更有困難。
中國制定傳感器檢定規程和標準的專家對衡 器不甚了解，反之對制定衡器檢定規程和標準的 專家對傳感器也同樣不甚了解，特別表現在制定 衡器的標準時，對應使用傳感器的具體的計量要求和技術要求沒有明確的規定。這表現了中國的 衡器工作者在衡器基礎知識和理論方面的缺失，這是中國欲成為衡器強國需要努力的重要方面。
至今，還沒有任何一種測力傳感器能動搖應 變傳感器在稱重領域的地位。然而應變傳感器應 如何發展始終是研究的問題。也曾有不少廠家試 圖將“應變片”直接濺射到彈性體上。但至今未見到正式批量的產品。我們也曾在這方面做過研 究，發現不僅彈性體要專門設計，而且濺射后的“應變計”與原來的箔材的物理特性也有改變。原 來的箔材是合金體，而現在由于是濺射變成“分 層”的。總的來說，近幾十年來，應變傳感器本 質上沒有太大改變。其改進主要表現在工藝方面 和設計了能適用各種測量需要的彈性體。制定了 與衡器計量要求、技術要求的標準和試驗方法。 以便于簡化對衡器的設計。值得一提的是組件式 傳感器的出現，可簡化和便于衡器的設計和安裝、 調試。這也是傳感器的一個明顯進步，但傳感器 的進步始終是衡器發展的前提，因此說“稱重傳 感器是稱重系統的心臟”。