如何合理选择多头秤
作者：Smartweigh多头配重器
多头秤是一种能将力转换为电信号的功率-电转换装置，是多头秤的核心部件。能够完成力-电转换的传感器种类繁多，通常包括电阻应变式力传感器、磁场式力传感器和电容式传感器。磁场式传感器在电子分析天平中应用广泛，电容式传感器是多头秤的组成部分，而电阻应变式秤则广泛应用于大多数称重设备产品中。
电阻应变式多头秤结构简单、精度高、适用范围广，且可在相对恶劣的自然环境下应用。因此，电阻应变式多头秤被应用于多头秤领域。电阻应变式多头秤主要由聚氨酯弹性体、电阻应变片和补偿电源电路组成。
多头秤的受力部件为聚氨酯弹性体，由优质碳钢和优质铝合金型材制成。电阻应变片采用金属箔蚀刻成网格数据类型，四个电阻应变片通过桥式结构粘贴在聚氨酯弹性体上。断电时，桥式电路的四个电阻阻值相等，电路处于平衡状态，输出为零。
当聚氨酯弹性体受力变形时，电阻应变片也会发生形变。在聚氨酯弹性体受力弯曲的整个过程中，两个电阻应变片受到拉伸，铁丝被拉伸，电阻值增大；而另外两个电阻应变片受到力的作用，电阻值减小。这样，原本平衡的桥式电路就会失去平衡，桥式电路两侧会出现工作电压差。该工作电压差与聚氨酯弹性体所受力的大小有关。通过检测该工作电压差，即可得到传感器所受力的大小。经仪表盘检测计算后，为了更好地利用各种多头秤结构的设置，多头秤由多种结构形式组成，传感器的名称通常也根据其外观设计而定。
例如，堆叠式链式传感器（重要的电子小车天平）、悬臂梁式传感器（地秤、仓库秤、电子小车天平）、立柱式传感器（电子小车天平、仓库秤）、小车式传感器（天平）、S型传感器（仓库秤）等。多头秤通常可以配备多种结构形式的传感器。如果传感器选择得当，有助于提高多头秤的性能。
电阻应变式多头秤的规格和型号繁多，量程从几百克到几百吨不等。选择多头秤的量程时，必须根据常用多头秤的尺寸来确定。经验法则如下：传感器总负载（单个传感器的最大允许负载 × 传感器数量）= 多头秤最大称重的 1/2 至 2/3。
多头秤的精度等级分为四个等级：a、b、c 和 d。不同等级的误差范围不同。A 级传感器的最大误差范围为 100%。
等级后的数字代表计量验证值，数值越大，传感器的质量越好。例如，C2 表示 C 级，计量验证值为 2000；C5 表示 C 级，计量验证值为 5000。显然，C5 的等级高于 C2。
常用的传感器等级为C3和C5，这两种等级的传感器可用于制造精度等级为III级的多头秤。多头秤的误差主要由离散系统误差、滞后误差、重复性误差、应力松弛、零点温度附加误差和额定输出温度附加误差引起。近年来出现的数字传感器将A/D转换电源电路和CPU电源电路集成到传感器内部。传感器的输出不再是模拟工作电压数据信号，而是经计算得到的净重模拟信号，具有以下优点：1. 仪表盘：每个数字传感器的数据信号可以单独采集，并根据线性方程进行计算，每个传感器都可以独立校准，因此可以一次性调整四个角的误差，可能性很高。
使用数字和模拟传感器的多头秤最大的难题在于四角误差校正，通常需要多次校准才能确定，每次校准都需要移动一个沉重的标准砝码，既耗时又费力。2. 由于仪表盘可以检测所有传感器的数据信号，因此可以从仪表盘上查看所有传感器的故障，便于维护。3. 数字传感器通过485接口传输模拟信号，远距离传输不受影响。
消除脉冲信号传输中存在的困难和易损问题。4. 可通过数字传感器内部的微控制器调整传感器的各种误差，从而使输出的传感器数据信息更加准确。多头秤被称为多头秤的中枢神经系统，其特性很大程度上决定了多头秤的精度和可靠性。
在设计多头秤时，如何使用传感器是一个经常遇到的问题。多头秤实际上是一种将高质量数据信号转换为可精确测量的电子信号输出的设备。使用传感器时首先要考虑的是传感器所在的具体办公环境。
这对于传感器的正确使用至关重要，关系到传感器能否正常工作、安全性和使用寿命，甚至关系到所有称重设备的可靠性和安全系数。自然环境对传感器的损害主要体现在以下几个方面：（1）高温自然环境会导致传感器涂层材料熔化、点焊失效，以及聚氨酯弹性体在热应力作用下发生结构变化。因此，在高温自然环境下工作的传感器通常选用耐热传感器，并且必须加装隔热、水冷、风冷等设备。
（2）烟雾和潮湿环境可能导致传感器短路故障。在这种自然环境下，应使用高度密封的传感器。不同的传感器采用不同的密封方法，密封性能也大相径庭。
通用密封方法包括：橡胶片涂覆密封剂及机械密封、电焊（如电弧焊机、电子束焊）密封以及氮气填充真空包装密封。从实际密封效果来看，电焊密封效果最佳，而填充密封的剂量较差。对于在室内洁净干燥的自然环境中工作的传感器，可以选择胶粘密封。对于在高湿度、多烟的自然环境中工作的传感器，则必须选择脉冲减震器热封或脉冲减震器焊接密封，以及真空包装氮气填充密封。
（3）在潮湿、寒冷、酸碱等腐蚀性较强的自然环境中，聚氨酯弹性体容易受到损害，导致传感器短路失效等问题，此时应选择具有良好耐腐蚀性和密封性能的外层材料，例如静电喷涂或不锈钢板。（4）磁场会对传感器输出数据信号造成干扰，导致信号混乱。在这种情况下，必须严格检测传感器的屏蔽性能，确保其具有优异的电磁抗扰性。
（5）易燃、易爆不仅对传感器造成严重危害，而且对其他机械设备和生命安全构成巨大威胁。因此，在易燃、易爆自然环境中工作的传感器必须明确规定其防爆特性：在易燃、易爆自然环境中必须使用防爆型传感器。此类传感器的密封盖不仅要考虑密封性，还要充分考虑防爆型的抗压强度以及电缆出口的防潮、防水和防爆性能。
其次，传感器总数和测量范围的选择：传感器总数的选择取决于多头秤的主要用途以及秤体支撑点的水平位置（支撑点的数量必须基于重叠秤体几何形状的重心位置和特定重心位置的基准）。一般来说，秤的某些支点会使用一些传感器，但像电子钩秤这样的特殊秤可能只使用一个传感器，而一些机电一体化工程秤则应根据具体情况明确选择传感器的数量。传感器测量范围的选择可以根据秤的尺寸、传感器的数量、秤本身的重量以及可能出现的大轮重和负载等因素来评估。
一般来说，传感器的测量范围越接近其所测负载，称重精度就越高。然而，在具体应用中，除了被测物体本身的重量外，还需要考虑秤体自身的重量、皮重、轮重以及振动冲击等因素。因此，在使用传感器测量范围时，应综合考虑多种因素，以确保传感器的安全性和使用寿命。
经过多次实验，并考虑了各种可能对秤体造成损害的因素，最终明确了传感器测量范围的计算方法。计算公式如下：C=K-0K-1K-2K-3(Wmax+W)/N。其中，C为单个传感器的额定测量范围；W为秤体自身的重量；Wmax为被测物体净重的最大值；N为秤体选择的支点总数；K-0为商业保险指数，一般为1.2~1.3；K-1为中间冲击指数；K-2为秤体重心偏移指数；K-3为气压指数。
例如，对于一台30吨的电子地磅，最大称重为30吨，秤本身的重量为1.9吨，选用4个传感器，并根据当时的具体情况，选取商业保险指标K-0=1.25，冲击指标K-1=1.18，重心点偏差指标K-2=1.03，气压指标K-3=1.02。解：根据传感器测量范围的计算方法：c=K-0K-1K-2K-3(Wmax+W)/N。c=1.25×1.18×1.03×1.02×(30+1.9)/4=12.36吨。因此，该传感器的测量范围为 15 吨（除非是特殊定制，否则该传感器的负载能力一般只有 10 吨、15 吨、20 吨、25 吨、30 吨、40 吨、50 吨等）。
根据工作经验，称重设备的工作范围通常在其测量范围的30%~70%之间。但对于应用全程影响较大的称重设备，例如动轨天平、动电子小车天平、不锈钢板秤等，在使用传感器时，通常会扩大其测量范围，使其工作范围在其测量范围的20%~30%之间。此外，还必须考虑各种传感器的应用领域。选择传感器形式的关键在于称重设备的类型和室内空间的设置，以确保设置正确，称重设备可靠运行。另一方面，也必须考虑制造商的建议。制造商通常会根据传感器的耐久性、性能参数、安装方式、结构形式、聚氨酯弹性体材料等特性来要求传感器的应用领域。梁式传感器适用于钢材堆积和释放链式称重设备，例如物料秤、电子皮带秤和筛分秤。
最终，必须选择合适的传感器精度等级。传感器的精度等级包括其非线性、应力松弛、应力松弛修复、滞后、重复性、灵敏度以及其他性能指标。使用传感器时，不仅要考虑电子标称的精度要求，还要考虑其成本。
传感器电平的选择必须考虑以下两个标准：1. 考虑仪表盘的输入要求。称重显示器在多头秤的输出数据信号增大并完成A/D转换后显示称重结果信息。因此，多头秤的输出数据信号必须大于仪表盘规定的输入条件。将多头秤的输出灵敏度代入传感器与仪表盘的匹配公式，计算结果必须大于仪表盘规定的输入灵敏度。
多头秤与仪表盘的匹配公式为：称重仪的输出灵敏度 * 激励电源电压 * 秤的尺寸、称重仪的测量范围 * 传感器数量 * 传感器的测量范围。例如，一台称重25kg的定量包装机，搭配一台测量范围为1000的称重仪，选择3个测量范围为25kg、灵敏度为2.0±0.008mV/V的L-BE-25传感器，并选择适用于12V电源电压的AD4325型仪表盘。询问所选传感器是否与仪表盘匹配。
解决方案：AD4325仪表盘的输入灵敏度为0.6μV/d，根据多头秤与仪表盘的匹配公式，仪表盘的特定输入数据信号为2×12×25/1000×3×25=8μV/d>0.6μV/d。因此，所选多头秤可考虑仪表盘的输入灵敏度要求，并可与仪表盘的选择相结合。2. 考虑电子标题的精度要求。
电子秤主要由三部分组成：秤体、传感器和仪表盘。在选择多头秤的精度时，应使其实际精度略高于基本理论的计算值。基本理论的精度通常会受到客观因素的限制，例如秤体的抗压强度略差、仪表盘的特性非常好、秤体所处的办公环境极端等。
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