感測器與訊號調理

荷重元(load cell)

荷重元是一個成品、可直接使用的測力感測器,核心是應變規。應變規本身只是需要樑來拉伸的箔片;荷重元把那根樑與應變規封裝成一塊堅固的金屬,附上安裝孔與纜線。在它上面壓或掛重量,就輸出一個與力成正比的小電壓。它正是幾乎每台電子秤裡的那個零件。

典型荷重元內部,一塊精密加工的金屬(常是鋁或鋼)在負載下以受控的微小量撓曲。四顆應變規黏在其上——有的貼在金屬被拉伸處、有的在被壓縮處——並接成一個完整的惠斯登電橋,使四顆協同運作。這種全橋配置使訊號變四倍並抵消溫度漂移,因為熱對四顆規的影響相同。它的輸出以「滿載時每伏激勵的毫伏靈敏度」標示:常見規格是 2 mV/V,意思是用 5 V 激勵的荷重元,在標稱最大負載時給 10 mV。給它穩定的激勵、用儀表放大器放大電橋輸出,再數位化。

為何重要:荷重元是世界用電子方式秤重的方法——體重計與廚房秤、超市結帳、地磅、工廠的料斗與儲槽配料、測試機的力回饋。誠實的現實:滿載訊號只有毫伏級,所以放大器失調與雜訊很要緊;讀數是比例式的(隨激勵縮放),你可加以利用,用同一來源同時供電給電橋與轉換器的參考,讓電源漂移彼此抵消;而每顆荷重元都要用已知重量校準,並留意偏心負載與潛變。決定準確度的是荷重元,而非轉換器。

一顆 5 kg、規格 2 mV/V 的荷重元以 5 V 激勵,所以在滿載 5 kg 時輸出 2 mV/V times 5 V = 10 mV。放上 1 kg 物體得到其五分之一、約 2 mV。增益 100 的儀表放大器把這 2 mV 抬到舒適的 0.2 V 給轉換器。

四顆應變規組成全橋,做成封裝好、已校準的測力感測器。

荷重元的輸出是比例式的:它是激勵的一個比例,而非固定電壓。用與電橋激勵相同的電源供給轉換器的參考,電源漂移就會抵消——並務必用已知重量校準整個成品系統。

又称
force sensorweighing sensor測力元稱重感測器