使用橋接式感測器量測荷重

什麼是力？什麼是荷重？

力 (Force) 是指物件之間相互作用的量測值：每個動作當中都會有相等與相反的反應。力也可以形容對物件的推力或拉力，它是兼具強度與相位的向量數值。

荷重 (Load) 一詞常用來描述對結構或本體施加的力。SI 認可用來量測力或荷重單位是牛頓 (N)。荷重元 (Load cell) 能直接量測力或重量。這些傳感器會量測力或重量所產生的變形，藉此將機械力轉換為電子訊號。這類裝置常見的應用是，量測料斗中的乾燥或潮濕物質。透過荷重元量測重量，可得出料斗中的物質數量。

量測荷重

荷重的量測是透過荷重元進行。目前有多種不同類型的荷重元，並以不同的方法操作；但最常使用的荷重元為應變規荷重元。一般而言，您所使用的波束或偏轉線圈組件會在 Wheatstone 橋接組態中安裝多個應變規，這樣一來施力會在應變規所量測的組件產生應變。一般來說，這類裝置在經過校準後，施力便能直接影響電阻改變。較不常用的氣動與液壓荷重元會將力轉換為壓力量測值。對著活塞或隔膜單側施力時，裝置會量測為平衡這股施力而施加到另一側的氣體或液體壓力值。本技術文章的其餘篇章主要介紹應變規或橋接式荷重元。

荷重元或應變規傳感器中最關鍵的機械元件就是結構 (彈簧元件)。此結構會對施加的荷重產生反應，並將荷重轉變為統一的隔離應變場域，而應變規可放置在此場域中以量測荷重。這三種常見的荷重元結構設計，包括多重彎曲橫樑、多重柱、抗剪腹板等，構成了所有可能的荷重元外形與/或組態的基礎區塊。

圖 2.  荷重元結構設計所安裝的應變規，能夠以各種方式量測壓縮及張力。[1]

多重彎曲橫樑荷重元具有低荷重能力 (20 至 22K N)，採用輪形彈簧元件來因應扁平型傳感器需要。它的每個橋接臂包含四種作動應變規或應變規組，每一對應變規負責承接相等或相反應變 (張力與壓縮)。

多重柱荷重元包含多個荷重能力較高的柱 (110K 至 9M N)。在這項安排裡，每一個橋接臂都包含四個作動應變規，其中兩個對齊應變基礎軸線，另外兩個則是與基礎軸線呈垂直，以彌補蒲松效應 (Poisson Effect)。

抗剪腹板荷重元具有中等荷重能力 (2K 至 1M N)，使用輪形放射腹板來因應直接剪力。個別橋接臂上的四個作用應變規會以沿著樑住軸心 45 度角的方向，黏貼至腹板側邊。

選擇正確的荷重元

荷重元以兩種基本模式運作：首先是壓縮模式，在此模式中秤重盤會座落在一或多個荷重元上；另外則是張力模式，在此模式中秤重盤則是吊掛在一或多個荷重元下。您可以針對僅限壓縮力的環境，使用上述任何一種組態設計出先前章節所討論的各種荷重元結構組態；或是使用所需之荷重元結構組態，以便同時量測張力與壓縮力。

在主要量測之外，您可以依據荷重能力、準確度與物理裝載限制或環境保護等主要因素，選擇荷重元。您無法單憑任何一種因素判斷預期的效能。您必須透過各種不同的感測器參數組合，以及您設計系統荷重元的方式，來決定效能。請參閱下表，比較不同荷重元類型的範圍、準確度、靈敏度與價格。

荷重能力：定義您的最小與最大荷重能力要求。在選擇荷重元之前，務必先選擇最大操作荷重的荷重能力，並決定所有無關的荷重與時間。 荷重能力必須有能力支撐下列項目：

• 秤重結構 (靜荷重) 的重量
• 可施加的最大動荷重 (包括任何靜態過載) 
• 源自於外部因素，例如風荷重或地震活動等其他過載因素

量測頻率：荷重元主要用於一般用途，而疲勞測試型荷重元則可承受數百萬次荷重使用循環，而不會對效能造成任何影響。一般用途的荷重元主要用於靜態或低循環使用頻率的荷重應用。依照荷重等級與傳感器材質，它們通常可承受高達 100 萬次的循環使用。依照荷重等級與振幅，疲勞測試型荷重元在設計上通常可達到 5,000 萬次到 1 億次充分反轉的荷重循環。

物理與環境限制：其中一項需要考慮的重要特性，是您如何將荷重元整合到系統當中。找出限制大小 (寬度、高度、長度等) 的物理限制，或是安裝荷重元的方式。大多數張力與壓縮荷重元功能會將母螺紋置中放置在上方與下方以便固定，但它們可能同時具備公螺紋或是公母皆有。考慮到系統的運作方式以及最壞的作業情況，包括需要量測的最大溫度範圍與最小的重量變化、最壞的環境狀況 (洪水、暴風、地震活動)，以及最大過載狀況。

荷重元訊號處理

荷重元可能備有處理功能，也可能沒有。您可以將具備處理能力的感測器直接連接到 DAQ 裝置，因為這些感測器通常搭載了濾波、訊號放大及激發引線的必要元件，以及量測用的規律電路。 

如果您使用的感測器未具備處理能力，就必須考慮到多個訊號處理元件，以建立有效的橋接式荷重量測系統。 您可能需要使用下列其中一項或更多功能：

• 透過激發來驅動 Wheatstone 橋接電路 (詳細資訊可參閱量測應變相關資源)
• 透過遠端感測功能來補償長距離引線的激發電壓錯誤
• 透過放大電流來增加量測解析度，並提升訊噪比
• 透過濾波來移除外來的高頻雜訊
• 在未使用應變時，透過偏移消除將橋接電壓平衡為輸出 0 V
• 透過分流器校準來驗證橋接輸出電壓是否為已知的預期數值

如欲了解如何補償這些錯誤，並查閱有關橋接式荷重量測的其他硬體考量因素，請下載「準確量測感測器工程師指南 (Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements)」。

將荷重元連接至 NI 硬體

了解自己的感測器或測試需求後，接下來就必須決定用於收集資料的硬體。擷取硬體的品質好壞，決定了收集資料的品質。

NI 提供一系列專門設計的應變與力量測硬體，可擷取荷重資料，同時也與各種荷重橋接式感測器相容。