秤重感應器(荷重元)是什麼?

秤重感應器,又稱荷重元(Load Cell),是一種將重量或力轉換為可測量電信號的感測器裝置。當物體施加拉力或壓力在感應器特定部位時,內部的應變計(strain gauge)會隨之變形,透過惠斯通橋式電路將機械力轉換為與作用力成正比的微小電壓輸出。由於這種技術具有極高精度,通常可達滿量程的 ±0.01%~±0.05%(視感應器規格而定),因此秤重感應器廣泛應用於各種需要精確測重的領域。秤重感應器依照應用需求有多種不同構造與型式,從小型實驗室測試用的感測元件到工業生產中承受重載的感測器皆有覆蓋。它們已成為電子衡器、工業秤、材料試驗機等設備中不可或缺的核心元件。

圖:不鏽鋼波紋管梁式秤重感應器實物範例(HBBG 50kg級)。此類感應器利用金屬彈性體受力變形搭配應變計來測量重量。波紋管設計可保護內部結構並補償溫度與側向力影響。

秤重感應器的工作原理

秤重感應器最常見的型式是電阻應變式,內部通常包含一個彈性金屬體(彈性體)作為受力元件,表面黏貼有薄膜應變計。在沒有受力時,彈性體保持原狀,應變計電阻值處於初始平衡。當加諸力量(重量)時,彈性體會發生極微小的彈性形變:受拉的一側金屬略微伸長,受壓的一側略微壓縮。應變計作為電阻感測器,緊貼在金屬表面,會隨金屬的拉伸或壓縮而變形,導致其電阻值發生變化——拉伸時電阻增加,壓縮時電阻減小。這些應變計通常以四個一組配置成惠斯通電橋電路,如下圖所示,其中兩片感測拉力、兩片感測壓力,能有效將微小電阻變化轉換為電橋不平衡電壓輸出。

圖:應變式秤重感應器的惠斯通電橋原理示意圖。四個應變計(R1~R4)貼附於感應器彈性體上,當上方施加重量時,兩個應變計受拉(電阻增加),兩個受壓(電阻減少),導致橋路輸出端產生與重量成正比的電壓差訊號。此電壓訊號經過高靈敏度放大器與模數轉換後,即可由後端電子裝置讀取出精確的重量值。

為了提高量測穩定性,秤重感測器的彈性體通常採用高強度合金鋼或鋁合金製成,既堅固又具有微小的彈性形變特性。四支應變計嚴密貼附於彈性體的關鍵部位,形成全橋電路配置,可自動補償溫度變化和側向力影響,確保輸出訊號隨作用力線性變化。因此,只要在秤重感應器上施加校準重量,它就能輸出對應的電壓信號,經適當標定後即可直接顯示真實重量。值得一提的是,除了電阻應變片式外,秤重感應器還有其他技術原理類型,例如液壓式與氣動式感測器透過量測壓力變化來換算重量,以及壓電式感測器利用壓電材料受力時電荷累積的特性來感測力。然而,由於應變電阻式具有體積小、精度高、穩定耐用等優點,目前市面上絕大多數秤重感應器仍採用應變計橋路原理

常見荷重元的種類與應用

依據結構形式和受力方式的不同,秤重感應器(荷重元)可細分出多種類型,以適應各種場景下的安裝與量測需求。以下介紹幾種常見類型及其特性與應用:

  • 壓縮型荷重元(Compression Load Cell):專為承受壓力向下的載荷而設計,常見形式為圓柱體或扁盤式。典型應用如各種地磅、軌道衡、大型料斗秤等,量程涵蓋公斤到上百噸不等。壓縮型感應器通常具有自定位的承壓頭,確保垂直受力精確傳遞,同時方便安裝在機台或支撐結構下方。
  • 拉壓兩用型荷重元(Tension/Compression Load Cell):能同時測量拉力和壓力兩種方向的力值。常見的 S 型感應器 就屬於此類,其外形呈“S”形,中間有孔可供懸掛或連接受力構件。S型荷重元靈敏度高、線性好,廣泛應用於吊秤、張力測試機以及各種材料拉伸/壓縮試驗設備中。透過適當安裝,拉壓型感測器在張緊力監控和壓力負載測試上皆能提供可靠量測。
  • 剪力梁式荷重元(Shear Beam Load Cell):又稱懸臂樑式感應器,常見外形為一端固定、另一端受力的矩形梁結構。當梁端載荷向下時,內部應變計感測梁內部產生的剪切應力以測量重量。剪力梁感應器安裝方便,多用於單支撐的平台秤、料斗秤等中小量程場合。若將兩端都作支撐、中央施力,則構成雙剪樑式荷重元,適用於較大載荷且需要高穩定度的系統(如大型槽罐秤、車輛衡)。
  • 單點式荷重元(Single Point Load Cell):指能單顆感測器即支撐一個平台進行稱重的結構類型,也就是電子計價秤等所用的感應器。單點式通常為矩形鋁合金梁,透過特殊應變區設計可使平台各處受力均勻傳遞至感應器而保持量測準確。這種感測器高度整合,適合小型桌上型電子秤、包裝秤等設備,量程從幾百克到幾十公斤不等。
  • 柱式與環形荷重元:柱式感應器外形似圓柱體,內部多採壓縮應力原理,常用於大型壓力試驗機、橋梁稱重系統等超大載荷場景。環形(環扭)荷重元則為一中空圓環結構,適合套在軸或繩索上測力,或用於特定扭矩/張力感測場合。這些特殊形狀的感測器滿足特定安裝需求,如將環形荷重元套在鋼纜上可監測拉力,或嵌入機械結構中量測夾緊力等。
  • 微型荷重元(Miniature Load Cell):為適應狹小空間或極小量程要求而設計,尺寸可小至拇指大小甚至鈕扣大小。微型感測器多為壓縮型(也有拉壓兩用型),常用於醫療器械、電子元件測試、機器人末端夾持力監控等精密應用。儘管體積小巧,微型荷重元透過精密應變計技術仍能達到高精度,但安裝和溫度補償需特別考量。
上述各種類型之外,還有多軸力感測器(可同時量測X/Y/Z三軸方向的力)、荷重軸銷(做成銷軸形狀,可取代機構中的軸銷來監測剪切載荷,如起重機吊鉤軸)、張力感測器(如帶張力或紙張張力監控用)以及扭矩感測器等衍生產品。這些裝置雖工作原理有所不同,但本質上都是力-電轉換的傳感器,其技術基礎與秤重感應器一脈相承。

秤重感應器的主要應用領域

憑藉精確可靠的測力能力,秤重感應器在工業、生產製造、科研等眾多領域發揮關鍵作用:

  • 工業自動化與製造:在工廠中,用於監控機械設備的負載和壓力。例如安裝在沖壓機、壓床上監測施力大小,或用於輸送帶、料斗下方測量物料重量,以實現生產過程的自動配料與過載保護。此外,各類**檢重機(Checkweigher)**在線稱重設備利用高速荷重元來逐件稱量產品重量,確保品質符合標準。
  • 儲存與物流:應用於筒倉、料倉的料位監控與存量管理,透過量測容器整體重量變化來計算存料量。例如糧食筒倉下方的感應器可即時提供庫存重量,而不須安裝複雜的物位計。運輸方面,卡車或火車車廂可配備稱重感測器構成車載衡,方便在運輸途中監控載貨重量是否超載。
  • 民生與商業:各種電子衡器皆以荷重元作為核心元件,包括電子計價秤、人體健康秤、行李秤、零售收銀秤等。在公共建設中,高速公路的地磅軌道衡用於稱重大型車輛,以執行收費或安全監控。電梯的超載保護系統也採用感測器監測箱體載重,保障運行安全。
  • 實驗室與品質檢測:材料試驗機利用高精度荷重元測量材料的抗拉強度、壓縮強度等力學性能。微量天平和分析天平內部亦使用高靈敏度的荷重元以稱量微小的質量變化。在研發環境下,工程師透過感測器監測產品受力情況,例如測試電子元件的按壓手感、醫療導管推拉力,甚至半導體晶圓製程中探針壓接力等,都能見到微型荷重元的蹤影。
  • 建築和土木工程:在建物結構中佈置荷重元可以監測橋梁、建築物的受力情況。例如將感應器置於橋梁支撐梁下,可長期觀測橋梁的載重變化趨勢;大樓的結構柱或支撐件內嵌感測器,用於結構健康監測,及早發現超載或結構異常。地質領域也有地錨拉力計等裝置本質上是特殊形態的荷重元,幫助監測邊坡、隧道等受力變化。
透過以上應用範例可以發現,秤重感應器的優勢在於量測結果與力的大小成線性關係,讀值直觀且易於數位化處理。相比其他間接測量方法(如以液位推估容量),荷重元直接量測重量具有不受容器形狀和物料性質影響、安裝相對簡單等優點。因此在各行各業中,以荷重元為基礎的稱重解決方案已成為可靠且普及的標準。

我們的核心優勢與客製化服務

作為專業的秤重感應器供應商,我們公司在此技術領域擁有超過20年以上的深厚經驗,具備從研發、設計到製造的一條龍實力。以下是我們的幾項核心競爭優勢:

  • 先進的AOI與品質管控:我們引入業界領先的**自動光學檢測(AOI)**技術於生產品質管制中。每一支感測器的應變片黏著、電路連接等細節都經過高解析度AOI設備檢查,確保產品零缺陷交付。搭配嚴格的溫漂、濕熱、疲勞測試,我們的荷重元在穩定性與可靠度上遠超一般標準。
  • 精密加工與整合能力:公司擁有高精度CNC機台及精密加工技術,可自行製造複雜結構的彈性體與配件。我們的工程團隊同時精通機械與電子領域,能將荷重元與客戶現有機構、控制系統做無縫整合。例如在半導體晶圓檢測設備中,我們成功將微型荷重元嵌入探針座,實現對接觸壓力的即時監控,這種跨領域整合正是我們的強項。
  • 客製化設計服務:憑藉豐富的經驗和靈活的研發製造體系,我們可依據客戶的特殊需求提供各種非標準荷重元的客製開發。無論是特殊尺寸、形狀、量程,或特定環境(高溫、高腐蝕、真空等)的感測器,我們都有實績可循。超過100家海內外知名企業選擇與我們合作,涵蓋自動化設備、醫療器械、航太工程等領域。這些國際級客戶的嚴苛需求,正是對我們技術實力與服務品質的最佳印證。
  • 完整方案與技術支援:我們不僅提供感測器硬體,還能協助客戶建置完整的稱重系統方案,包括選配適當的重量顯示器、放大器、數據擷取軟體,以及校正與認證服務等。一站式的技術支援讓客戶無後顧之憂,加速產品導入市場。同時,我們的售後團隊遍及全球主要市場,能即時提供現場協助與諮詢,保障設備長期穩定運行。
我們深信,卓越的產品來自專業的技術沉澱與不妥協的品質要求。選擇我們,您將獲得的不僅是一枚小小的秤重感應器,而是一整套量身打造的解決方案與值得信賴的長期合作夥伴。憑藉我們20餘年的累積經驗,以及在AOI檢測、精密加工、自動化整合方面的獨到優勢,我們將持續為客戶提供更高精度、更高可靠度的荷重元產品,協助您在各自的產業應用中穩操勝券,創造更大的價值!

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