1、研究耐高溫稱重傳感器組合方法的意義

    耐高溫稱重是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)。由余姚市通用儀表有限公司生產(chǎn)制造的HSB系列耐高溫鋼包電子秤采用了多傳感器組合的模塊化結(jié)構(gòu)，如量程為（1-300）t的HSB—A型鋼包秤采用150t傳感器4只，量程為（1-150）t的HSB-B型鋼包秤采用50t傳感器4只。該產(chǎn)品具有耐高溫（系統(tǒng)在≥250℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作），抗沖擊（具有300%的抗沖擊能力）等特點(diǎn)。榮獲了寧波市科技進(jìn)步獎(jiǎng)，在國(guó)內(nèi)冶金企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，享有較好的信譽(yù)。
    多傳感器組合技術(shù)在電子衡器中的合理應(yīng)用，可為電子衡器創(chuàng)造較好的工作條件，改變輸入輸出的特性，降低電子衡器的能耗，提高系統(tǒng)的抗*力。因此，研究多傳感器的組合技術(shù)具有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

    2、耐高溫稱重傳感器的組合方法

    在電子稱重系統(tǒng)中采用多個(gè)傳感器時(shí) ,常用的組合方式有串聯(lián)工作方式、全并聯(lián)工作方式、串并聯(lián)混合工作方式三種。
    2.1 串聯(lián)工作方式
    串聯(lián)工作方式是各個(gè)傳感器使用獨(dú)立電源單獨(dú)供橋 , 輸出端串聯(lián)連接的方式。如圖1所示

圖1 兩個(gè)傳感器的串聯(lián)工作方式

    設(shè)它們橋臂電阻分別為R1、R2, 靈敏度分別為S1 、S2, 供橋電壓分別為U1、U2，滿量程均為F。為了保證正常的串聯(lián)工作狀態(tài)，需要滿足S1U1=S2U2。同理，可證明當(dāng)n個(gè)傳感器串聯(lián)工作時(shí)，為保證正常工作，也需要滿足S1U1=S2U2=…=SnUn。這就是串聯(lián)工作的基本條件。從這個(gè)公式中可以看出,對(duì)于串聯(lián)工作的傳感器，不管各個(gè)傳感器的參數(shù)如何,理論上都可以通過(guò)調(diào)整供橋電壓建立起正常的工作狀態(tài)。當(dāng)然，實(shí)際使用中參數(shù)的離散性也不能太大。
    傳感器串聯(lián)工作的特點(diǎn)如下：
    1）假定對(duì)某一載荷W,用滿量程為F、靈敏度為 S 、供橋電壓為 U 的一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量，則得輸出U1=（SU/F）·W。如果以兩個(gè)傳感器串聯(lián)工作測(cè)量以上同一載荷,則當(dāng)不考慮偏載等因素的理想情況下,可選用滿量程為（1/2）F的傳惑器。假定這兩個(gè)傳感器的靈敏度也為S,供橋電壓也為U, 則總輸出 Un=2U1。
    2）當(dāng)兩個(gè)傳感器的橋臂電阻均為 R 時(shí) ,串聯(lián)后輸出阻抗為：
    Rn=R+R=2R
    同理 , 也可證明 n 個(gè)傳感器串聯(lián)工作時(shí)有:
    Un=nU1        Rn = nR
    以上Un,Rn分別是n個(gè)傳感器串聯(lián)工作后的輸出信號(hào)和輸出阻抗。這兩個(gè)式子說(shuō)明,當(dāng)n個(gè)傳感器串聯(lián)工作時(shí),可以比使用一個(gè)傳感器得到n倍的輸出,同時(shí)輸出阻抗也是一個(gè)傳感器的n倍。
    這在某些情況下,尤其是配接的稱重顯示器分辨率比較低時(shí),會(huì)得到較的稱重結(jié)果。其缺點(diǎn)是串聯(lián)相接后,在直流供電的情況下，每個(gè)傳感器需要相互獨(dú)立的供橋壓電源,否則將破壞電橋電路的原有關(guān)系,增加了設(shè)備的復(fù)雜性和提高了成本。交流供電時(shí),對(duì)稱重準(zhǔn)確度要求較高的電子秤來(lái)說(shuō),其電源變壓器的次級(jí)繞組需*相同,這在實(shí)際制作時(shí)比較困難。再者,串聯(lián)后增大了傳感器的輸出阻抗，容易帶來(lái)干擾。目前國(guó)內(nèi)電子秤中大部分仍采用這種連接方式，但國(guó)外已很少采用,幾乎已被淘汰。
    2.2 全并聯(lián)工作方式
    該方式是各個(gè)傳感器的輸入端并聯(lián),使用一個(gè)公共電源供橋，輸出也以并聯(lián)的方式工作。 兩個(gè)傳惑器的并聯(lián)工作方式如圖2 所示。

圖2 并聯(lián)工作方式

    設(shè)它們的靈敏度分別為S1、S2,橋臂電阻分別為R1、R2,供橋電壓分別為U1、U2，滿量程均為F。這兩個(gè)傳感器并聯(lián)工作的條件是S1R1=S2R2,顯然,并聯(lián)工作狀態(tài)對(duì)傳感器本身的參數(shù)要求是比較高。
    同理當(dāng)n個(gè)傳感器并聯(lián)工作時(shí)可得：S1/R1=S2/R2=…=Sn/Rn。
    兩個(gè)傳感器并聯(lián)工作時(shí)的特點(diǎn)如下：
    1）假定對(duì)某一載荷W,我們以滿量程為F、靈敏度為S、供橋電壓為 U 的一個(gè)傳感器測(cè)量它,輸出為U1 則：U1=WSU/F。
    如果兩個(gè)傳感器并聯(lián)工作,測(cè)量以上同一載荷W,在理想情況下 , 則可選用滿量程為（1/2）F的傳感器,假定它們的靈敏度也為S, 供橋電壓也為U,則總的輸出Un為：Un= U1
    2）假定這兩個(gè)傳感器的橋臂電阻均為 R, 并聯(lián)后的輸出阻抗為 Rn,則顯然有Rn=R/2。
    同理可證明當(dāng) n 個(gè)傳感器全并聯(lián)工作時(shí)則有：
    Un=U1 Rn =R /n
    上式的 Un=U1,Rn分別是n個(gè)傳感器并聯(lián)工作后的輸出信號(hào)和輸出阻抗 .這兩個(gè)式子說(shuō)明,不管幾個(gè)傳感器并聯(lián)工作都不會(huì)得到比一個(gè)等效的傳感器更大的輸出,但并聯(lián)后的輸出阻抗卻減小為一個(gè)傳感器的 1/n。
    在稱重顯示器具有較高的靈敏度或高的分辨率的條件下,采用并聯(lián)法較好，因?yàn)樗灰粋€(gè)供橋電源,系統(tǒng)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。但它要求每個(gè)傳感器輸出阻抗的平均偏差要小,傳感器系數(shù)的公差也不能太大。否則,當(dāng)幾個(gè)傳感器受力不均勻時(shí),輸出電壓的平均值將產(chǎn)生誤差。國(guó)外并聯(lián)工作時(shí)，大多數(shù)在每個(gè)傳惑器的兩輸出端與配接的稱重顯示器之間,接入兩個(gè)隔離電阻。由于傳感器的內(nèi)阻是輸出信號(hào)的函數(shù)，串入隔離電阻能降低電阻變化對(duì)輸出的影響。每個(gè)傳感器的兩隔離電阻總阻值要相等,這兩個(gè)電阻本身也要相等，公差要小,這祥能減小因傳感器輸出阻抗不等或傳感器系數(shù)不一致對(duì)傳感器總輸出的影響。接法如圖3。
    圖中 R 即為隔離電阻,通常可選10kO左右,公差為0.01%。試驗(yàn)表明 , 當(dāng)并聯(lián)工作的傳感器受載不均勻時(shí),傳感器平均誤差小于 0.05%。

圖 3接有隔離電阻的全并聯(lián)工作方式

    2.3 串并聯(lián)混合工作方式
    這是前述兩種工作方式的綜合，既有串聯(lián)又有并聯(lián)。通常各個(gè)傳感器使用獨(dú)立的供橋電源,但輸出并聯(lián)連接,如圖4 所示。這種工作方式也稱串并聯(lián)方式。
    通過(guò)分析可知,兩個(gè)傳感器串并聯(lián)工作的條件是：
    S1U1/R1=S2U2/R2

圖 4-6 串并聯(lián)工作方式及其等效電路

    由此可見,串并聯(lián)工作方式既有并聯(lián)工作方式的特點(diǎn),又有串聯(lián)工作方式相似的地方 .它不管所使用的各傳感器參數(shù)如何,均可通過(guò)調(diào)整供橋電壓建立起正常的工作狀態(tài)，當(dāng)然傳感器參數(shù)的離散性也不能太大。
    同樣可以證明,n個(gè)傳感器串并聯(lián)工作時(shí)的輸出信號(hào)Un = Ui， 其總輸出阻抗為Rn=R/n。至于一個(gè)電子秤的四個(gè)傳感器,兩個(gè)兩個(gè)地串聯(lián)后再并聯(lián)或兩個(gè)兩個(gè)地并聯(lián)后再串聯(lián),雖然也可以,但實(shí)際應(yīng)用中用得不多。

    3、三種工作方式的比較

    根據(jù)前面的分析 , 我們可以從以下幾個(gè)技術(shù)特性對(duì)上述三種不同工作方式作一綜合比較。表4-1 中只列出了兩個(gè)傳感器的情況, 由此可以類推到n 個(gè)傳感器的情況。

    4、結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)以上對(duì)三種稱重傳感器的連接方法的分析，我們清楚地看到，全并聯(lián)工作方式的供橋電源數(shù)zui少，節(jié)能效果好，抗*力zui強(qiáng)，但輸出信號(hào)小。串聯(lián)工作方式輸出信號(hào)zui大，但抗*力zui差，節(jié)能效果不好。串并聯(lián)工作方式不同程度地具有前面兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。在多傳感器的稱重系統(tǒng)中，究竟選用何種組合方式，要根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)籌考慮、合理選用。

參考資料：
    
   上海臺(tái)衡儀器儀表有限公司,