原创 物联网行业中的智能称重方案介绍_称重传感器分析

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物联网系统中为什么要使用称重传感器

联网系统中使用称重传感器的原因主要有以下几点：

全面感知与信息采集

• 基础感知元件：传感器是物联网的感觉器官，能够感知、探测、采集和获取目标对象各种形态的信息。称重传感器作为传感器的一种，专门用于测量和记录物体的重量，是物联网全面感知的主要部件之一。
• 电信号转换：称重传感器通过将物体的重量转换为电信号，实现了对物体重量的精确测量和记录。这种转换能力使得物联网系统能够实时获取和处理重量数据，为后续的决策和控制提供基础。

提升应用领域的效率和精度

• 工业自动化：在工业自动化领域，称重传感器广泛应用于生产线上，通过实时监测物料重量，实现生产过程的精确控制和优化。这有助于提升生产效率，降低生产成本，并保证产品质量。
• 物流管理：在物流领域，物联网称重系统能够自动识别和记录货物的重量，减少人工操作，提高物流效率。同时，高精度的称重数据为物流管理和优化提供了可靠依据。

实现自动化与智能化控制

• 数据实时传输与处理：物联网称重系统通过内置传感器和算法，能够智能地识别、计算和记录重量数据，并将数据传输到云端或相关系统。这有助于实现自动化和智能化控制，提高系统的响应速度和准确性。
• 故障检测与预防：称重传感器还具备故障检测和预防功能。当传感器出现故障时，能够发出警报或故障信号，提醒操作人员及时处理。此外，通过对传感器数据的分析，可以预测潜在的故障，并采取相应的预防措施，避免生产中断或产品质量问题。

满足多样化的应用场景需求

• 多功能性和灵活性：称重传感器具有多种功能和灵活性，可以根据不同的应用场景和需求进行定制和扩展。例如，可以通过添加温度补偿、抗干扰等功能来提高传感器的性能和使用范围。
• 广泛应用领域：称重传感器在工业自动化、物流管理、智能家居、医疗健康等多个领域都有广泛应用。例如，在智能家居中，称重传感器可以用于智能冰箱、智能厨房等设备的重量监测和控制；在医疗健康领域，则可以用于医疗护理床、医疗设备等的体重监测和健康管理。
• 具体应用场景

• 食品加工与制造：在食品加工和制造行业中，称重传感器被广泛应用于生产线上的生产控制、称量和计量等方面。例如，酿酒、面包、糖果、奶制品、肉制品等生产线都需要用到称重传感器，以确保产品质量和生产效率。
• 医疗健康：在医疗领域，称重传感器主要用于体重秤、血压计等医疗设备中，用于测量患者的体重和血压，帮助医生更好地管理和监控患者的健康状况。
• 物流运输：称重传感器在物流运输中发挥着重要作用，可以用于货物的计量和称重，如货运车辆、装卸设备、仓库等，有助于企业更好地控制和管理物质，提高物流效率。
• 农业领域：在农业生产中，称重传感器被用于农作物的称量和计量，如粮仓、果园、养殖场等，有助于农业生产的科学管理和产量的精确计算。
• 环保监测：在环保监测领域，称重传感器用于检测和监测各种物质的重量变化，如环境监测站中的水质和空气质量监测仪器等，为环保工作提供准确的数据支持。
• 建筑行业：在建筑行业中，称重传感器主要用于桥梁、高层建筑等大型结构的重量和载荷检测，有助于确保建筑安全和质量。

除此之外，称重传感器还在化工、冶金、石油化工、机械制造、造纸、钢铁、矿山、水泥、纺织等行业发挥着重要作用。它们为各个行业和领域提供准确的数据支持，从而提高生产效率和质量。

综上所述，物联网系统中使用称重传感器是出于全面感知与信息采集、提升应用领域的效率和精度、实现自动化与智能化控制以及满足多样化的应用场景需求等多方面的考虑。随着物联网技术的不断发展和完善，称重传感器将在更多领域发挥重要作用。

本文会再为大家详解传感器家族中的一员——称重传感器

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称重传感器的定义

称重传感器是一种能够将物体所受重力转换为可测量电信号的装置。它广泛应用于各种称重和测量系统中，是工业生产和商业计量中不可或缺的关键部件。

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称重传感器的分类

根据不同的分类标准，称重传感器有多种类型。按工作原理分类，主要包括电阻应变式、差动变压式、电容式等。按结构形式分类，有悬臂梁式、桥式、平板梁式、柱式等。此外，根据传感器的材料不同，还有合金钢式和铝合金式等类型。其中：

• 波纹管(弯曲梁)称重传感器：非常适合低量程容器称重和过程称重。
• 单点式是低量程高精度的称重传感器。其外形如四方体形状，测量结果非常的精准，广泛运用于电子秤，厨房秤，贵重金属秤等领域，是工业和农业自动化系统中不可缺少的核心部件。
• S型称重传感器，因其形状类似“S”，所以被称为S型传感器，主要用于测量固体的拉力和压力，通常也被称为S型拉压两用称重传感器，即可单只使用，也可以通过配组输出多只同时使用。
• 剪切梁称重传感器：适用于中低量程的宁波辰邦称重传感器，尤其是罐体称重和低外形工艺应用。
• 双剪切梁称重传感器：通常用于罐体和料斗称重秤和卡车秤。
• 圆板式称重传感器：是一种专为中大量程称重的用户提供的适用于狭窄场所的传感器。它可以安装在两个组件之间进行压缩，或通过螺纹孔用于张力。圆板式称重传感器即便在轴外加载的情况下也能够提供非常准确的结果。
• 柱式称重传感器：可用于压力或拉力，特别适用于大量程应用，常用于卡车和铁路秤。设计的重型性质，除非装载不当，否则可耐弯曲和变形。

本文主要讲述电阻应变式，悬臂式，微型称重传感器。

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称重传感器的工作原理

称重传感器采用金属电阻应变片组成测量桥路，利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细，电阻增加的原理，即金属电阻随所受应变而变化的效应而制成的。金属电阻具有阻碍电流流动的性质，同一种金属丝，一般来讲，越是细长，其电阻值就越大。当金属电阻丝受外力作用而伸缩时，其电阻值就会在某一范围内增减。因此，将金属丝（或膜）紧贴在被测物体上，当被测物体受外力而伸缩时，金属电阻丝（膜）也会按比例伸缩，其阻值也会相应变化。称重传感器就是将金属电阻应变片粘贴在金属称重梁上进行测量重量信号的。

由一个或多个能在受力后产生形变的弹性体，和能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路（如惠斯登电桥），以及能把电阻应变片固定粘贴在弹性体上并能传导应变量的粘合剂和保护电子电路的密封胶等三大部分组成称重传感器。

桥式测量电路
电阻应变式称重传感器包括两个主要部分，一个是弹性敏感元件：利用它将被测的重量转换为弹性体的应变值；另一个是电阻应变计：它作为传感元件将弹性体电阻应变式称重传感器。当传感器不受载荷时，弹性敏感元件不产生应变，粘贴在其上的应变片不发生变形，阻值不变，电桥平衡，输出电压为零；当传感器受力时，即弹性敏感元件受载荷P时，应变片就会发生形变，阻值发生变化，电桥失去平衡，有输出电压。

惠斯通电桥各个臂上电阻变化时，计算过程如下图所示：

• 单个臂变化时δV = 1/4(δR/R)
• 两个臂变化时δV = 1/2(δR/R)
• 四个臂变化时δV = δR/R
• 多臂变化时，R1、R3同步增减；R2、R4同步增减

应变片

电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。金属电阻应变片品种繁多，形式多样，常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻 应变片。箔式电阻应变片是一种基于应变——电阻效应制成的，用金属箔作为敏感栅的，能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。

悬臂式结构

如下图所示，电阻应变片贴在悬臂的上下两侧

E型或者G型结构

如下图所示

臂上贴了两个应变片，为半桥式结构，如下图所示

内部有两个1kΩ的应变片，量程为50kg。测量时外侧边施加外力，E字形传感器的应变梁部分和外侧边形成一个方向相反的力，中间的应变梁发生弯曲变形。E型传感器有三种使用方式

1、使用一只传感器配合外接电阻组成全桥测量,量程为一个传感器的量程：50kg。对外接电阻要求较高。

2、使用二只传感器组成全桥测量,量程为两只传感器的量程之和：50kgx2=100kg。

3、使用四只传感器组成全桥测量,量程为四只传感器的量程之和：50kgx4=200k。

HX711检测电路

HX711是一款高精度24位A/D转换芯片，集成了稳压电源、片内时钟振荡器、数字通信功能。专为电子秤设计，提高了整机的性能和可靠性。内部框图如下：

官方推荐原理图设计如下图。淘宝上有很多做好的HX711模块，可以直接买过来做测试使用。

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称重传感器的材料：

1. 弹性体的材料：

称重传感器弹性体材料，一般选用金属材质，可选用的材质大部分为铝合金材质、合金钢材质及不锈钢材质。合金材质既有刚度保证形变一致及形变恢复，又有良好的耐候防腐性能。弹性体的主要要求就是能够精确传递受力信息并保持在相同受力时的形变一致性和完全复位性。

2. 应变片及电阻元件材料：

电阻应变片的组成复杂，是复合型制造产品，应变片的基材和应变铜质的组合千变万化，根据其应变要求，目前，大约有近千种产品。一般，基材采用高分子薄膜材料，应变材质为高纯度康铜。基材上的康铜通过光学处理后刻蚀不同感应形变的电阻栅丝。因此，电阻应变片的品质不仅与基材材质和复合的金属纯度有关，而且与复合工艺、刻蚀技术及工艺、刻蚀化学材料及后处理工艺和材料等等因素相关。

3. 密封胶的材质：

在焊接技术及设备不充分的称重传感器初期阶段，均采用专用硅橡胶密封胶系列。硅橡胶具有长期化学稳定性，因此，防腐、防潮、耐老化、绝缘等各项性能优异，长期以来一直是所有密封胶的首选产品。

4. 贴片粘合剂的材质：

电阻应变片贴片用粘合剂主要采用双组分高分子环氧系列粘合剂，高分子化学产品的性能与各个组分的物理及化学指标密切相关，如纯度、分子链的结构和大小、储存时间、组分的配比、分子改性、混合方式、混合熟化使用时间、固化时间、固化温度、助剂及百分比等因素。

5. 导线密封材料及方式：

称重传感器的每个组成部分都会影响传感器最终的技术性能，一些测力传感器仅仅采用简单固定的方式避免传感器导线的移动而损伤传感器的电子电路固定，一些传导距离很短的称重传感器甚至仅仅依靠胶封固定。但较大体积、重量较大的称重传感器，如果没有适当导线固定或密封的方式，就是称重传感器最易产生故障的瓶颈。特别是加装密封头固定导线时，紧固件的材质及紧固力度也会给称重传感器的最终技术性能带来影响。观察者发现，很少有使用紧固件安装使用密封粘合剂的，这样可以避免依靠紧固力固定带来的残余应力，也不会由于紧固力不足而产生泄露的问题。

6. 称重传感器的导线材质：

导线依然是测力传感器组成的一部分，称重传感器导线的金属材质，由于家庭电器的电线使用，质量差异都有切身体会。毕竟导线是桥路供电、信号输出、长线激励电压补偿的通路，镀银线肯定比铜线传导效果好，铜线肯定比铝线传导效果好，其作用不言而喻。随着各种高频、无线电波等越来越多的干扰，称重传感器的优良屏蔽也是保护信号稳定的重要方法。另外，环境侵蚀、虫鼠侵害、防火阻燃等也需要传感器保护层的材料防腐防虫防火防爆，甚至需要采用铠甲保护、套管防护等方法。

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称重传感器的选型参数

主要包括四个方面：

• 传感器的灵敏度；
• 传感器的精度；
• 传感器的稳定性；
• 传感器的数量和量程。

灵敏度

灵敏度越高越好，只有灵敏度高了，在进行测量物体的重量时才可以获得更准确的数据。

但是，灵敏度越高外界对称重传感器的影响就越大，外界的噪音会干扰传感器的判断。

精度

称重传感器对于精度的要求非常高，这是称重系统中非常重要的环节，称重传感器的精度越高，其价格也就越高。对于精度的要求只要达到符合称重系统的仪表输出要求水平略高即可，不用选的太高，以避免不必要的花销。

稳定性

稳定性是传感器长时间使用后还能继续正常工作，稳定性高的传感器的使用寿命越长。影响传感器的稳定性因素，除了称重传感器的质量，还有称重传感器的工作环境，一款好的称重传感器环境对其影响较小。在选购称重传感器时，注意看一下其适用的环境，根据具体环境进行选择称重传感器，选择正确的称重传感器能减少环境对称重传感器的影响，并有利于延长称重传感器的使用寿命。比如在易燃易爆的环境中，就需要选用带有防爆功能的称重传感器。

数量和量程

不同用途的传感器的数量和量程不同，具体的数量和量程的选择应根据实际测量的物体的重量和类型来定。

一般实际称量物体的重量应在70%以下，对称重传感器的损耗会更小，有利于延长其使用寿命。

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供应商A：西安盖文电子科技有限公司|格鲁斯

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：GML670 微型称重传感器

对应的产品详情介绍

此款产品为全桥微型称重传感器。胶密封处理，厚度薄，精度高。主要应用于厨房秤，邮政秤或其他微型电子称重设备。

参数

尺寸

(mm) : 34×34×1.5/2.0/2.5

• 硬件参考设计

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki：Cellular IoT Wiki 知识库(https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf)