橋式稱重傳感器稱重原理,及常見故障解決方法.維修*!

橋式稱重傳感器稱重原理,及常見故障解決方法.維修*!

    以稱重傳感器為核心的電子衡器在實際的使用過程中引發(fā)故障的原因很多，有時幾個故障可能同時出現(xiàn)。是在傳感器工作原理的基礎(chǔ)上制作傳感器檢查表，以提高分析 的針對性和分析效率，從而快速而又準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)故障。在檢查稱重傳感器故障時，首先要對 稱重傳感器的外觀進(jìn)行檢查，然后根據(jù)檢查表對其進(jìn)行逐步的分析和測試，相信故障就會很 快排除.

下面我們就來具體講解下稱重傳感器稱重原理,及常見故障解決方法

稱重傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置， 其工作原理是把加到秤盤上的物體重量轉(zhuǎn)換成與該重量成比例的電信號，然后將輸出的電信 號放大和 A/D 轉(zhuǎn)換后由相關(guān)電路顯示出稱重信息。其中電阻應(yīng)變式稱重傳感器由于其結(jié)構(gòu) 較簡單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，穩(wěn)定性強(qiáng)，且能夠在相對比較差的環(huán)境下使用，因此在衡器 中得到了廣泛地運(yùn)用。本文就電阻應(yīng)變式稱重傳感器的應(yīng)用故障進(jìn)行了一些探討。

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息， 這就需要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或* 狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就 失去了基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實 現(xiàn)了對物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度化 的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置。電阻應(yīng)變式稱重傳感器由于 其制作工藝較為簡單，加工成本較為低廉，故被企業(yè)大批量生產(chǎn)，在我國工業(yè)生產(chǎn)過程檢測 與控制、自動計量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。
2 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的組件

電阻應(yīng)變式稱重傳感器作為質(zhì)量—重量轉(zhuǎn)換元件，主要由三部分組成，即電阻應(yīng)變片、 彈性體和測量電路。

2.1 電阻應(yīng)變片（傳感元件）

電阻應(yīng)變片也稱電阻應(yīng)變計，簡稱應(yīng)變片或應(yīng)變計，是由敏感柵等構(gòu)成用于測量應(yīng)變的 元件。它能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。電阻應(yīng)變片是由Φ=0.02-0.05mm 的 康銅絲或鎳鉻絲繞成柵狀（或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀）夾在兩層絕緣薄片中（基底）制 成。用鍍銀銅線與應(yīng)變片絲柵連接，作為電阻片引線。

電阻應(yīng)變片的測量原理：金屬絲的電阻值除了與材料的性質(zhì)有關(guān)之外，還與金屬絲的長 度，橫截面積有關(guān)。將金屬絲粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時，金屬絲的長度和橫截面積 也隨著構(gòu)件一起變化，進(jìn)而發(fā)生電阻變化。

R/R=K*ε （1）

其中，K 為材料的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變的電阻變化率，標(biāo)志著該類絲材電 阻應(yīng)變片效應(yīng)顯著與否。ε為測點處應(yīng)變，為無量綱的量，但習(xí)慣上仍給以單位微應(yīng)變，常用符號με表示。由此可知，金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時，應(yīng)變ε與電阻變化率 dR/R 成線性 關(guān)系，這就是利用金屬應(yīng)變片來測量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。

我們來介紹一下靈敏系數(shù) K 的意義。設(shè)有一個金屬電阻絲，其長度為 L，橫截面是半 徑為 r 的圓形，其面積記作 S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲 未受外力作用時，它的電阻值為 R：
R=ρL/S（Ω） （2）

當(dāng)它的兩端受 F 力作用時，將會伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長 L，其橫截面積 則縮小，即它的截面圓半徑減少 r。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電 阻率也會有所改變，記作Δρ。

對式（2--1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有：

 R=ΔρL/S+  Lρ/S– SρL/S2 （3）
用式（3）去除式（2）得到  
 R/R=Δρ/ρ+  L/L– S/S （4）
另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積 S=πr2，則 s=2πr*  r， 
所以 S/S=2  r/r （5）
 r/r=-μΔL/L （6）

其中，負(fù)號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（5） （6）代入（3），有

R/R=Δρ/ρ+  L/L+2μΔL/L

=［1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L）］*  L/L

=K*  L/L （7）

其中

K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）

式（7）說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對 變化）之間的關(guān)系。

靈敏度系數(shù) K 值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù)，它和應(yīng)變片 的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的 K 值一般在 1.7—3.6 之間；其次 K 值是一個無因次 量，即它沒有量綱。在材料力學(xué)中 L/L 稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太 大，很不方便常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（1）常寫作：

R/R=Kμε

2.2 彈性體（敏感元件）

彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的 外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)）， 使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變到電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。用做稱重傳感器彈性 體的金屬材料，由于其內(nèi)部復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系，當(dāng)受到外力作用后在微小晶粒之間會產(chǎn)生 微應(yīng)變，在外力消失以后，微應(yīng)變隨之消失，但是是否能夠*恢復(fù)到不受力的原始狀態(tài)， 則因彈性體的金屬材料而異。如果加載力的曲線和卸載力的曲線不重合，差值越大，則遲滯 性越大。其差值主要來源于材料本身成分的穩(wěn)定性、均勻性、熱處理后的徑向組織等等。知 道遲滯性產(chǎn)生的原因，我們可以通過選擇合適的金屬材料，采用*的熱處理方式提高彈性 極限，來減小產(chǎn)生遲滯性從而取得很好的綜合機(jī)械性能。

傳感器彈性體設(shè)計時應(yīng)遵守以下原則： （1）彈性元件應(yīng)變區(qū)受力單一，應(yīng)力分布均勻； （2）支承區(qū)盡量形成剛性固定，安裝力遠(yuǎn)離應(yīng)變區(qū)，必要時采取柔性隔離技術(shù)； （3）加載、承載的壓頭、壓墊設(shè)計，應(yīng)使加載線與彈性元件中心線重合，保證加載點穩(wěn)定不變； （4）彈性元件的結(jié)構(gòu)和外殼設(shè)計應(yīng)盡量消除或減少力學(xué)干擾因素（橫向力、彎矩、扭

矩）的影響，把性能波動減至zui?。?（5）若結(jié)構(gòu)條件允許，盡量采取過載保護(hù)措施，提高工作的安全可靠性； （6）彈性元件應(yīng)變區(qū)貼片處應(yīng)開敞便于貼片作業(yè)，貼片表面盡量為平面并容易安裝加

壓固化夾具； （7）彈性元件粘貼電阻應(yīng)變計處便于防護(hù)密封作業(yè)，焊接膜片的鋼度及焊接坡口設(shè)計

合理，保證密封質(zhì)量； （8）在結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時應(yīng)考慮制造工藝，作到設(shè)計為可制造性服務(wù)； （9）在結(jié)構(gòu)設(shè)計時還應(yīng)考慮可靠性，即可靠性設(shè)計； （10）工藝設(shè)計應(yīng)有利于大批量生產(chǎn)和工藝流程網(wǎng)絡(luò)化的統(tǒng)計制程管理。
2.3 惠斯登電橋（測量電路）

測量電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很?優(yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器 的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。

3 稱重傳感器的故障排除實例

現(xiàn)在我們來探討一下稱重傳感器在使用中出現(xiàn)的故障問題以及如何排除故障。使用中的 電阻應(yīng)變式傳感器故障往往會導(dǎo)致稱重系統(tǒng)漂移，顯示不穩(wěn)定或不顯示數(shù)據(jù)等現(xiàn)象。下面主 要介紹模擬傳感器中一些常見的故障和故障排除方法和步驟。

引起傳感器故障的原因很多，但歸納起來看其實分為內(nèi)部和外部原因。內(nèi)部原因主要是 有傳感器本身造成的故障，外部原因則是一些人為或自然因素?fù)p壞，比如傳感器過載，沖擊， 或不小心跌落，大力拽傳感器導(dǎo)線，雷擊或大電流通過傳感器，化學(xué)腐蝕，潮氣侵蝕或高粉 塵環(huán)境以及傳感器內(nèi)部的元器件的老化等。故障原因我們可以從傳感器構(gòu)成的幾個主要部分 來分析，可以按因果關(guān)系來進(jìn)行一一分析。傳感器組成分為三個部分，即彈性體和電阻應(yīng)變 片和輸出的連接電路。如果從傳感器出現(xiàn)的故障現(xiàn)象來看，其本質(zhì)是輸出故障。對此，我們 要采用關(guān)聯(lián)法來分析，即采用傳感器自身的信號輸出流程來分析。