使用桥式传感器测量载荷

什么是力和载荷？

力是物体之间相互作用的度量：每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。力可认为是通过推、拉物体形成的。它是一个矢量，有其大小跟方向。

载荷通常指施加于结构或物体之上的力。力或载荷的国际单位是牛顿(N)。测压元件可直接测量力或重量。这类换能器可测量物体由于受力或承重产生的形变，并将机械力转换成电信号。此类设备的一个典型应用是测量料斗中的干或湿物料。通过测压元件测得的重量，我们就可以算出料斗中物料的数量。

载荷测量

测量载荷的方法就是使用测压元件。虽然不同类型的测压元件以不同的方式运行，但最常用的测压元件当属应变式测压元件。通常情况下，应变式测压元件是一个悬梁或磁轭组件，其中应变计按照惠斯通电桥配置排列，以测试对组件施加力后产生的应变。此类设备通常都经过校准，电阻变化可直接反映力的变化。气动和液压测压元件较不常见，这类传感器可将力转换成压强。当力作用于活塞或振膜的一端时，可测量施加在另一端与该力平衡的压力（气动或液压）。本技术白皮书的其余部分主要介绍了应变式测压元件或桥式测压元件。

结构（弹性体）是测压元件/应变计换能器最重要的机械组件。结构会响应所施加的载荷，并将该载荷转换成独立的均匀应变场，应变计放置在该应变场中就可以测量载荷。测压元件主要有以下三种结构设计：多弯梁结构、多柱结构和轮辐式结构，这三种结构是所有可能测压元件外形和/或配置的基本构建块。

图2. 不同的测压元件结构设计采用不同的应变计安装方式来测量压力和张力。[1]。

多弯梁测压元件量程较小(20-22K N)，采用轮状弹性体，可适应薄型换能器。每个桥臂上装有四个有源应变计或四组应变计，每一对应变计具有大小相等方向相反的应力（即张力和压力）。

多柱式测压元件采用多柱结构，量程较大(110K-9M N)。每个桥臂装有四个有源应变计，其中两个沿应变主轴对齐，另外两个相互垂直，以补偿泊松效应。

轮辐式测压元件量程适中(2K-1M N)，采用直剪式轮状径向辐射弹性体。每个桥臂装有四个有源应变计，连接到辐射体的两侧，与悬梁轴呈45°。

选择合适的测压元件

测压元件有两种基本的运行模式：压力模式，其中称重斗放置在一个或多个测压元件上；张力模式，其中称重斗悬挂在一个或多个测压元件上。您可以使用前面介绍的任意配置来设计不同的测压元件结构，以测量压力或者是同时测量张力和压力。

除了要考虑主要测量方法外，在选择测压元件时还应重点考虑量程、精度、物理安装限制以及环保要求。仅考虑一个因素无法正确预测传感器的性能，我们需要综合考虑传感器的各项参数以及测压元件在系统中的配置方式。下表比较了不同测压元件的量程、精度、灵敏度以及价格。

量程 - 定义最小和最大量程要求。选择测压元件时，应确保量程超过最大工作载荷，并确定好所有的外加载荷和运动。 载荷量程必须满足下列需求：

• 称重结构的重量（静载荷）
• 可施加的最大有效载荷（包括任意静态过载） 
• 由风荷载或地震等外部因素导致的额外过载

测量频率 - 测压元件可以设计成通用型或疲劳额定型，可承受数百万次载荷循环而不影响性能。通用型测压元件适用于静态或低循环频率载荷应用。根据载荷量以及换能器的材质，通用型测压元件通常可承受100万次循环。疲劳额定型测压元件通常可承受5千万-1亿次完整的反向载荷循环，具体取决于载荷量和振幅。

物理和环境约束 - 测压元件选择过程中需考虑的一个重要因素是如何将测压元件集成到系统中。我们需要确定所有限制测压元件尺寸（如长、宽、高等）的物理因素以及元件的安装方式。大部分张力和压力测压元件在顶部及底端使用中心内螺纹进行固定，也有用外螺纹或内外螺纹混合使用的情况。另外还需要充分考虑系统的运行方式及极端运行条件 - 最宽的温度范围、所需测量的最小重量变化、极端的自然环境（如洪水、暴风雨、地震）以及最大过载条件。

适用于测压元件的信号调理

测压元件可以具有调理功能，也可以不具有调理功能。具有调理功能的传感器可直接连接到DAQ设备，因为这类传感器具有滤波、信号放大和激励导线所需的组件以及测量所需的常规电路。 

如果是不具备调理功能的传感器，则在搭建高效的桥式载荷测量系统时需要考虑多个信号调理元素。 您可能需要进行以下一项或多项操作：

• 激励，为惠斯通电桥供电 - 查看应变测量资源，了解更多信息
• 遥感探测，用于补偿长导线的激励电压误差
• 放大，可提高测量精度和信噪比
• 滤波，可去除外部高频噪声
• 偏置归零，当未施加任何应力时，可将桥输出平衡至0 V
• 分流校准，根据已知的预期值验证桥的输出

如需了解如何补偿这些误差以及桥式载荷测量的其他硬件考量因素，请下载精确传感器测量工程师指南。

将测压元件连接至NI硬件

在了解了传感器或测试需求后，就需要决定采集数据所需的硬件。采集硬件的质量决定了所采集数据的质量。

NI提供一系列应变和力硬件来采集载荷数据，且与各种桥式载荷传感器兼容。