德国 HBM 称重传感器全面解析

德国 HBM 称重传感器，本质上是一种能够将质量信号转换为可测量电信号输出的装置。在选用该传感器时，其实际工作环境是首要考量因素，这不仅关乎传感器能否正常运行、安全使用和使用寿命，还对整个衡器的可靠性与安全性有着重大影响 。
在 HBM 称重传感器主要技术指标的基本概念及评价方法上，新旧国标存在显著差异。旧国标将应用场景和环境条件不同的 “称重” 与 “测力” 两种传感器合并考虑，未对试验和评价方法加以区分。该标准共包含 21 项指标，且均在常温下进行试验，通过非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差这 6 项指标中的*大误差，来确定 HBM 称重传感器的准确度等级，分别以 0.02、0.03、0.05 表示。而新国标在这方面有新的规定，使得技术指标的衡量更为精准。
从结构样式来看，HBM 称重传感器种类丰富，涵盖 S 型、悬臂型、轮辐式、板环式、膜盒式、桥式、柱筒式等。同时，按转换方法划分，又可分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等 8 类，其中电阻应变式应用*为广泛。
在实际功能方面，HBM 称重传感器作为衡器上常用的力传感器，能够按照一定比例，将作用在被测物体上的重力转换为可计量的输出信号。由于不同使用地点的重力加速度和空气浮力会对转换过程产生影响，因此其性能指标主要包括线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各类衡器和质量计量系统中，通常采用综合误差带来综合控制传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带相关联，以此来选择适配某一准确度衡器的 HBM 称重传感器。国际法制计量组织（OIML）明确规定，传感器的误差带 δ 需占衡器误差带 Δ 的 70%，HBM 称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内因温度对灵敏度影响所产生的误差总和，不能超过误差带 δ，这为制造厂调整计量总误差的各个分量提供了空间，有助于获得期望的准确度。
接下来详细介绍不同类型的 HBM 称重传感器：

• 光电式：包含光栅式和码盘式。光栅式传感器借助光栅形成的莫尔条纹，将角位移转化为光电信号。其由固定光栅和安装在表盘轴上的移动光栅组成，当承重台上的被测物通过传力杠杆系统使表盘轴旋转时，带动移动光栅转动，莫尔条纹随之移动，再利用光电管、转换电路和显示仪表，就能计算出移过的莫尔条纹数量，从而确定被测物质量。码盘式传感器的码盘是装在表盘轴上的透明玻璃，带有特定编码的黑白相间代码，当被测物使表盘轴旋转时，码盘随之转动，光电池透过码盘接收光信号并转换为电信号，经电路数字处理后，在显示器上显示出被测质量的数字。光电式传感器曾主要应用于机电结合秤。
• 液压式：当受到被测物重力 P 作用时，液压油压力会增大，且增大程度与 P 成正比，通过测量压力增大值，即可确定被测物质量。该类型传感器结构简单坚固，测量范围大，但准确度一般不超过 1/100。
• 电容式：依据电容器振荡电路的振荡频率 f 与极板间距 d 的正比例关系工作。极板分为固定和可移动两块，承重台加载被测物时，板簧挠曲导致两极板间距变化，电路振荡频率也相应改变，测量频率变化就能得出被测物质量。电容式传感器具有高阻抗、小功率、输出变化量大、动态响应快、结构简单、适应性强等优点，可在恶劣环境下工作，能测量多种参数，应用广泛。不过，它也存在输出阻抗高、负载能力差、输出特性非线性、寄生电容影响大等缺点。随着技术发展，其缺点不断得到克服，还开发出容栅位移传感器和集成电容式传感器，发展前景良好。
• 电磁力式：基于承重台上的负荷与电磁力相平衡的原理，当承重台上放置被测物，杠杆一端向上倾斜，光电件检测到倾斜度信号，经放大后流入线圈产生电磁力，使杠杆恢复平衡，对产生电磁平衡力的电流进行数字转换，就能确定被测物质量。该传感器准确度高，可达 1/2000 - 1/60000，但称量范围仅在几十毫克至 10 千克之间。
• 磁极变形式：铁磁元件在被测物重力作用下发生机械变形，内部产生应力并引起导磁率变化，使得绕在铁磁元件两侧的次级线圈感应电压改变，通过测量电压变化量可求出作用在磁极上的力，进而确定被测物质量。其准确度一般为 1/100，适用于大吨位称量，称量范围为几十至几万千克。
• 振动式：包括振弦式和音叉式。振弦式传感器的弹性元件是弦丝，承重台加载被测物时，V 形弦丝交点被拉向下，左右弦拉力改变，固有频率发生不同变化，通过计算两根弦的频率之差可得出被测物质量，其准确度较高，可达 1/1000 - 1/10000，称量范围为 100 克至几百千克，但结构复杂、加工难度大、造价高。音叉式传感器的弹性元件是音叉，音叉端部的压电元件以固有频率振荡并可测出频率，承重台加载被测物时，音叉拉伸方向受力使固有频率增加，通过测量频率变化可求出重物施加的力和质量，该传感器耗电量小，计量准确度高达 1/10000 - 1/200000，称量范围为 500g - 10kg。
• 陀螺仪式：转子装在内框架中绕 X 轴稳定旋转，内框架经轴承与外框架联接可绕水平轴 Y 倾斜转动，外框架经万向联轴节与机座联接可绕垂直轴 Z 旋转。当转子轴一端受到外力作用时，产生倾斜并绕垂直轴 Z 转动（进动），进动角速度 ω 与外力成正比，通过检测频率测出 ω，就能求出外力大小和被测物质量。该传感器响应时间快（5 秒）、无滞后现象、温度特性好（3ppm）、振动影响小、频率测量准确精度高，可获得高分辨率（1/100000）和高计量准确度（1/30000 - 1/60000）。
• 电阻应变式：利用电阻应变片变形时电阻随之改变的原理，主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆 4 部分组成。

此外，还有一些特殊类型的 HBM 称重传感器：

• 板环式：其结构具有应力流线分布明确、输出灵敏度高、弹性体为整体、结构简单、受力状态稳定、易于加工等优点，在传感器生产中占比较大。但目前该结构传感器的设计公式尚不完善，应变计算复杂，设计时通常将其视为圆环式弹性体进行估算，对于 1t 及以下量程的板环式传感器，设计计算误差较大，且易出现较大非线性误差。该类型传感器结构紧凑、防护性能好、精度高、长期稳定性好，适用于吊钩秤、机电结合秤及其他力值测量。
• 数字式：数字 HBM 称重传感器是集电阻应变式 HBM 称重传感器、电子放大器（AMC）、模数转换技术（ADC）、微处理器（MCU）于一体的新型传感器，能够将重力转变为电信号。它以调试简便高效、适应现场能力强等优势，逐渐成为称重技术领域的新宠。
• S 型：是*为常见的传感器类型之一，主要用于测量固体间的拉力和压力，也被称为拉压力传感器。因其外形呈 S 形状而得名，采用合金钢材质，经过胶密封防护处理，安装和使用都很方便，适用于吊秤、配料秤、机改秤等电子测力称重系统。

从传感器的元件构成角度来看：

• 敏感元件：直接感受被测量（质量），并输出与被测量有确定关系的其他量，如电阻应变式 HBM 称重传感器的弹性体，将被测物体质量转变为形变；电容式 HBM 称重传感器的弹性体将被测质量转变为位移。
• 变换元件：又称传感元件，用于将敏感元件的输出转变为便于测量的信号，例如电阻应变式 HBM 称重传感器的电阻应变计（电阻应变片），把弹性体的形变转换为电阻量的变化；电容式 HBM 称重传感器的电容器，将弹性体的位移转变为电容量的变化。部分元件同时具备敏感元件和变换元件的功能，如电压式 HBM 称重传感器的压电材料，在外载荷作用下发生变形的同时输出电量。
• 测量元件：将变换元件的输出转换为电信号，以便进一步进行传输、处理、显示、记录或控制，像电阻应变式 HBM 称重传感器中的电桥电路，以及压电式 HBM 称重传感器的电荷前置放大器。
• 辅助电源：为传感器的电信号输出提供能量。多数 HBM 称重传感器需要外接电源才能工作，因此产品必须标明供电要求，但辅助电源不属于 HBM 称重传感器的组成部分。不过，也有部分传感器，如磁电式速度传感器，因其输出能量较大，无需辅助电源也能正常工作，所以并非所有传感器都依赖辅助电源。