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荷重传感器结构原理图解析

发布时间：2025-10-13
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文章来源：http://www.shllsensor.com

荷重传感器作为精准测量力值的核心器件，广泛应用于电子衡器、工业自动化、材料测试等领域。其本质是通过 “机械结构受力形变→电学信号输出” 的转化，实现对重量、拉力、压力等力值的精准计量。要理解其工作逻辑，需先掌握结构组成与原理的对应关系 —— 一张完整的荷重传感器结构原理图，实则是 “力的传递、形变感知、信号转化” 三大系统的协同示意图。本文将结合典型结构原理图，拆解各核心部件的功能与原理关联。

一、荷重传感器结构原理图的核心组成：4 大关键系统

无论是 S 型、柱式、梁式等常见类型的荷重传感器，其结构原理图的核心框架一致，均包含弹性体、应变片、补偿元件、信号输出接口四大系统，各系统在力值测量中承担不同角色，共同构成 “力→电” 转化链路。

1. 弹性体：力的 “承载与形变载体”（结构核心）

在结构原理图中，弹性体通常以 “特定几何形状的金属构件” 呈现（如 S 型传感器的 “工” 字形框架、柱式传感器的圆柱形主体、梁式传感器的矩形梁），是荷重传感器的 “机械核心”，功能可概括为两点：

力的传递与分散：当外部力（如重量、拉力）作用于弹性体的受力端时，弹性体通过自身结构将力均匀传递到整个构件，避免局部应力集中导致永久形变；

可控形变输出：弹性体采用高强度合金材料（如 40CrNiMoA、不锈钢）制成，具备优异的弹性恢复性 —— 受力时会产生与力值成正比的微小弹性形变（通常为微米级，肉眼不可见），力消失后完全恢复原状，为后续应变片感知提供稳定的 “形变信号源”。

以 S 型荷重传感器结构原理图为例：弹性体上下两端为受力接口（上端接固定支架，下端挂被测重物），中间的 “细颈段” 是形变敏感区 —— 受力时细颈段会发生拉伸或压缩形变，且形变程度与力值严格线性相关，这一设计能最大化形变灵敏度，同时保护弹性体其他部位不受过度应力影响。

2. 应变片：形变的 “电阻转化器”（感知核心）

在结构原理图中，应变片以 “贴附在弹性体形变敏感区的小片状元件” 形式存在，通常 4 片为一组（构成全桥电路），对称贴附在弹性体的形变敏感区（如 S 型弹性体细颈段的前后两侧、柱式弹性体的圆周对称位置），是 “机械形变→电学信号” 的关键转化部件。

应变片的结构在原理图中可进一步拆解为 “基底、敏感栅、引线” 三部分：

基底：绝缘薄膜（如聚酰亚胺），作用是固定敏感栅，同时隔离弹性体与敏感栅，避免短路；

敏感栅：金属箔或金属丝（如铜镍合金、镍铬合金）制成的栅格状结构，是电阻变化的核心 —— 当弹性体形变时，敏感栅随弹性体一起拉伸或压缩，其电阻值会随几何形状变化而改变（遵循 “应变效应”：拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小）；

引线：细小铜线，用于将敏感栅的电阻信号引出，接入后续的桥路电路。

在结构原理图的 “电路标注” 部分，会清晰显示 4 片应变片的连接方式：2 片贴在弹性体 “受拉区”（受力时电阻增大），2 片贴在 “受压区”（受力时电阻减小），这种对称贴附方式能抵消温度、振动等干扰，同时加倍输出电阻变化量，提高测量灵敏度。

3. 补偿元件：测量精度的 “校准者”（误差控制核心）

在结构原理图的 “电路模块” 中，补偿元件通常以 “小型电阻、热敏电阻” 的形式与应变片桥路串联或并联，作用是抵消环境因素（温度、湿度）和工艺误差（应变片粘贴偏差、弹性体材质不均）对测量精度的影响，核心补偿功能包括：

温度补偿：通过串联 “温度敏感电阻”（如铂电阻），抵消温度变化导致的应变片电阻漂移 —— 例如温度升高时，应变片自身电阻会增大，补偿电阻则会通过电路设计反向调节，使桥路输出信号不受温度影响；

零点补偿：在桥路中并联 “微调电阻”，用于修正无外力作用时桥路的 “零点漂移”（即理想状态下无外力时输出应为 0，但实际因工艺偏差可能有微小输出），通过调节微调电阻使零点回归标准值；

灵敏度补偿：串联 “精密电阻”，修正不同传感器之间的灵敏度差异，确保同一型号传感器在相同力值下输出一致的信号。

这些补偿元件在结构原理图中虽体积小，但却是荷重传感器实现 “高精度测量”（通常精度可达 0.01%~0.1% FS）的关键，若缺少补偿系统，传感器在温度变化或长期使用后，测量误差会显著增大。

4. 信号输出接口：电学信号的 “对外传输通道”

在结构原理图的末端，通常标注有 “信号输出端子”（如 4 线制或 6 线制接口），由导线连接应变片桥路与外部设备（如称重仪表、PLC），功能是将桥路产生的 “毫伏级电压信号” 传输到外部系统进行处理。

从原理图可见，信号输出接口的电路连接遵循 “惠斯通电桥” 逻辑：4 片应变片组成桥路的 4 个臂，桥路两端接入稳定的直流电源（如 5V、10V），另外两端为信号输出端 —— 无外力时，桥路平衡，输出电压为 0；有外力时，应变片电阻变化打破平衡，输出与力值成正比的毫伏级电压信号（如满量程力值对应 20mV 输出）。

部分高精度荷重传感器的结构原理图中，还会增加 “信号放大模块”（集成运算放大器），将毫伏级信号放大为伏级信号（如 0~5V），减少传输过程中的干扰，适配更多外部设备。

二、荷重传感器结构原理图的工作流程：力→电的 5 步转化

结合结构原理图的各组成部分，荷重传感器的完整工作流程可通过 “力的输入→形变→电阻变化→电压信号→输出”5 个步骤清晰呈现，每一步均对应原理图中的特定结构：

步骤 1：力的输入与传递（弹性体受力）

外部力（如被测物体的重量 F）作用于弹性体的受力接口（如 S 型传感器的下端挂钩），弹性体通过自身结构将力均匀传递到形变敏感区（细颈段），此时原理图中弹性体的敏感区开始产生微小形变（拉伸或压缩），形变程度 ΔL 与力值 F 成正比（F=k×ΔL，k 为弹性体的刚度系数）。

步骤 2：应变片感知形变（电阻变化）

贴附在弹性体敏感区的 4 片应变片随弹性体一起形变：位于受拉区的 2 片应变片被拉伸，电阻值 R 增大（ΔR>0）；位于受压区的 2 片应变片被压缩，电阻值 R 减小（ΔR<0）。根据应变效应，电阻变化量 ΔR/R 与弹性体的形变量 ΔL/L（应变 ε）成正比，即 ΔR/R=K×ε（K 为应变片灵敏系数，通常为 2~4）。

步骤 3：惠斯通电桥转化（电压信号产生）

在原理图的桥路电路中，4 片应变片组成的全桥电路接入直流电源 Uin。无外力时，4 片应变片电阻相等（R1=R2=R3=R4），桥路平衡，输出电压 Uout=0；有外力时，R1、R3 增大，R2、R4 减小，桥路失衡，输出电压 Uout 与电阻变化量成正比，公式为 Uout=Uin×(ΔR/R)/4，最终转化为与力值 F 线性相关的毫伏级电压信号。

步骤 4：补偿元件修正误差（精度校准）

原理图中的补偿元件（温度补偿电阻、零点补偿电阻）实时工作：若环境温度升高导致应变片电阻漂移，温度补偿电阻会反向调节桥路电流，抵消漂移影响；若存在零点偏差，零点补偿电阻会微调桥路平衡，确保无外力时 Uout=0，最终输出精准的电压信号。

步骤 5：信号输出与应用（对外传输）

经过补偿后的电压信号通过原理图末端的信号输出接口，传输到外部称重仪表或控制系统。外部设备将毫伏级信号进一步放大、AD 转换为数字信号，最终显示为力值（如 “500kg”），或用于工业控制（如当力值达到设定阈值时触发报警、停机等动作）。

三、结构原理图的关键设计要点：影响传感器性能的核心因素

从荷重传感器结构原理图中，可直观看到影响其性能的关键设计细节：

弹性体材质：原理图中标注的 “40CrNiMoA” 等合金材料，决定了传感器的量程与稳定性 —— 高强度材料可承受更大力值，低弹性滞后材料能减少测量误差；

应变片贴附位置：必须贴在弹性体的 “形变敏感区”（如细颈段、梁的上下表面），且需对称贴附，否则会导致信号失真；

桥路设计：全桥电路（4 片应变片）比半桥电路（2 片应变片）灵敏度更高、抗干扰能力更强，因此高精度传感器的原理图中均采用全桥设计；

防护结构：部分原理图中会标注 “密封胶、防护外壳”，用于隔离粉尘、水汽，避免应变片与补偿元件受潮损坏，延长传感器寿命。

理解这些设计要点，不仅能看懂结构原理图，更能根据实际需求选择合适的荷重传感器 —— 例如潮湿环境需选择带密封防护的传感器，高精度场景需选择全桥设计的传感器。

LCZ-104C荷重传感器

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