卓航让力测更简单
测力/称重/流量/液位传感器厂家
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称重传感器(Load Cell)其实用途非常广泛，最常见的就是一些体重秤了。这种力传感器的主要特点就是只测一个方向的力(通常是质量/重力)，其它方向的力/力矩都被忽略。
其实这类力传感器的核心部件就是一个粘贴有应变计的金属结构，可能是铝或不锈钢。某宝上的10Kg量程的称重传感器也就20RMB左右，可以说是相当便宜了。这个部件可以把作用在传感器上的力成比例的转化为电压信号。如果进行了标定的话，那么知道电信号也就知道作用力是多少了。
那么这个结构是如何工作的呢?其实一切都要从变形出发。传感器总是一端固定(A)，另一端受力(B)的，结构受力后会产生变形，变形经过粘贴在结构表面的应变计组成的电桥转换为电压信号。这些应变计是用特殊的胶水固定在传感器上特殊的敏感位置的，并且用防护涂层进行保护。受力越大，变形越大，那么电信号也越大，并且这些关系通常是一个成比例的线性关系。
这个变形一般是很小的，肉眼很难察觉。为了便于理解，天平君建立了一个3D模型，采用有限元方法进行一个简单仿真。传感器尺寸为12mm*12mm*80mm，量程为20Kg。应变计假设为2mm*4mm大小。这个仿真将展示放大后传感器的变形情况，通过计算还可以发现这种传感器的一些有趣的现象或用途。
这种传感器可以有很多电桥形式完成信号转换。1/4桥、半桥和全桥都可以进行测量。最为广泛的还是采用全桥，因为其在灵敏度和温度效应方面全桥都具有相当的优势。天平君以4片应变计全桥为例来进行仿真。
假设材料为铝材，应变计灵敏度系数为Ks=2.1.激励电压为Uin=9V。理论上信号输出Uout可以被估算出来，只要知道这四片应变计的应变就可以了。
这很容易在有限元软件中模拟并获得应变、变形等数据。天平君将计算四种工况下电桥的理论信号输出。根据上面的公式，有限元仿真只需要计算应变计表面的沿着丝栅方向的平均应变。为了方便分析，有限元结果提取时将每片应变计的最大应变与最小应变加起来再除以2表示平均应变。
这些力或力矩都是施加在端面或端面的某一部分。先看各种工况下结构的变形情况。
再给出计算结果的数据表。根据前面介绍的计算方法，各应变计的平均应变在各工况下被提取出来，用于输出信号的估算。说好的力与信号有比例关系啊，为什么工况1的情况下信号接近0呢，而其它相同大小的力却能产生很大的电信号?
工况1.力作用位置在应变计的正上方，假设有刚性托盘与端面相连。这种情况下，无论施加多大的力，基本不会有任何电压输出。这是因为，应变计一半处于拉长状态而另一半处于压缩状态，整体上基本抵消，没有电阻变化。应变计上的应变分布可以清楚的体现这一点。力学上分析，力对于应变计中心的力矩为0.因为力臂为0.
这种情况下，结构变形见下图。这一变形也可以佐证电桥输出为0的结论。因此，这种结构和电桥的情况下，称重传感器的安装托盘是不能让其中心在应变计的正上方的。否则，无论如何变化质量，传感器基本没有信号输出。
工况2.力作用在端面的中心位置，没有任何偏心。这里有理想的信号输出。
工况3.力作用在端面的偏心位置，偏移量为6mm，有理想的信号输出。但同样大小为200N的力，输出电信号却发生了微小的变化。变化量大约为0.7%，这一误差在要求不高的情况是可以忽略的。这就可以解释，为什么体重秤有时候站立的位置不同会有一些误差的现象了。因为出现了位置偏移产生力矩的微小干扰。这也说明在使用过程中，重量要尽量对称放置在传感器的中心平面上。最好怎么标定的，就怎么使用。
工况4.力矩作用在端面的中心位置，力矩的方向与前面施加力产生的力矩方向一致，仍然有理想的信号输出。这说明，其实这种称重传感器也可以用于纯力矩的测量的。只是现实中测量纯力矩的需求很少，并且一般力矩与力是伴随产生的。
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