深圳市卓航自動化設備技術有限公司主要從事于微型測力傳感器、高精度稱重傳感器、S型傳感器、懸臂梁傳感器、多維力傳感器、張力傳感器、變送器、控制儀表的研發生產及提供系統工程控制的解決方案。服務熱線 ：13528790837

　　稱重傳感器(Load Cell)其實用途非常廣泛，最常見的就是一些體重秤了。這種力傳感器的主要特點就是只測一個方向的力(通常是質量/重力)，其它方向的力/力矩都被忽略。

　　其實這類力傳感器的核心部件就是一個粘貼有應變計的金屬結構，可能是鋁或不銹鋼。某寶上的10Kg量程的稱重傳感器也就20RMB左右，可以說是相當便宜了。這個部件可以把作用在傳感器上的力成比例的轉化為電壓信號。如果進行了標定的話，那么知道電信號也就知道作用力是多少了。

　　那么這個結構是如何工作的呢?其實一切都要從變形出發。傳感器總是一端固定(A)，另一端受力(B)的，結構受力后會產生變形，變形經過粘貼在結構表面的應變計組成的電橋轉換為電壓信號。這些應變計是用特殊的膠水固定在傳感器上特殊的敏感位置的，并且用防護涂層進行保護。受力越大，變形越大，那么電信號也越大，并且這些關系通常是一個成比例的線性關系。

　　這個變形一般是很小的，肉眼很難察覺。為了便于理解，天平君建立了一個3D模型，采用有限元方法進行一個簡單仿真。傳感器尺寸為12mm*12mm*80mm，量程為20Kg。應變計假設為2mm*4mm大小。這個仿真將展示放大后傳感器的變形情況，通過計算還可以發現這種傳感器的一些有趣的現象或用途。

　　這種傳感器可以有很多電橋形式完成信號轉換。1/4橋、半橋和全橋都可以進行測量。最為廣泛的還是采用全橋，因為其在靈敏度和溫度效應方面全橋都具有相當的優勢。天平君以4片應變計全橋為例來進行仿真。

　　假設材料為鋁材，應變計靈敏度系數為Ks=2.1.激勵電壓為Uin=9V。理論上信號輸出Uout可以被估算出來，只要知道這四片應變計的應變就可以了。

　　這很容易在有限元軟件中模擬并獲得應變、變形等數據。天平君將計算四種工況下電橋的理論信號輸出。根據上面的公式，有限元仿真只需要計算應變計表面的沿著絲柵方向的平均應變。為了方便分析，有限元結果提取時將每片應變計的最大應變與最小應變加起來再除以2表示平均應變。

　　這些力或力矩都是施加在端面或端面的某一部分。先看各種工況下結構的變形情況。

　　再給出計算結果的數據表。根據前面介紹的計算方法，各應變計的平均應變在各工況下被提取出來，用于輸出信號的估算。說好的力與信號有比例關系啊，為什么工況1的情況下信號接近0呢，而其它相同大小的力卻能產生很大的電信號?

　　工況1.力作用位置在應變計的正上方，假設有剛性托盤與端面相連。這種情況下，無論施加多大的力，基本不會有任何電壓輸出。這是因為，應變計一半處于拉長狀態而另一半處于壓縮狀態，整體上基本抵消，沒有電阻變化。應變計上的應變分布可以清楚的體現這一點。力學上分析，力對于應變計中心的力矩為0.因為力臂為0.

　　這種情況下，結構變形見下圖。這一變形也可以佐證電橋輸出為0的結論。因此，這種結構和電橋的情況下，稱重傳感器的安裝托盤是不能讓其中心在應變計的正上方的。否則，無論如何變化質量，傳感器基本沒有信號輸出。

　　工況2.力作用在端面的中心位置，沒有任何偏心。這里有理想的信號輸出。

　　工況3.力作用在端面的偏心位置，偏移量為6mm，有理想的信號輸出。但同樣大小為200N的力，輸出電信號卻發生了微小的變化。變化量大約為0.7%，這一誤差在要求不高的情況是可以忽略的。這就可以解釋，為什么體重秤有時候站立的位置不同會有一些誤差的現象了。因為出現了位置偏移產生力矩的微小干擾。這也說明在使用過程中，重量要盡量對稱放置在傳感器的中心平面上。最好怎么標定的，就怎么使用。

　　工況4.力矩作用在端面的中心位置，力矩的方向與前面施加力產生的力矩方向一致，仍然有理想的信號輸出。這說明，其實這種稱重傳感器也可以用于純力矩的測量的。只是現實中測量純力矩的需求很少，并且一般力矩與力是伴隨產生的。

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