【摘 要】稱重傳感器是電子衡器的核心部件,隨著稱重傳感器技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,傳感器的質(zhì)量和應(yīng)用技術(shù)越來越為使用者所關(guān)注。文章通過對(duì)傳感器基本原理的介紹,結(jié)合實(shí)際工作中的實(shí)例,總結(jié)了傳感器故障檢測的幾種常用方法,以便快速準(zhǔn)確地查找原因,保證電子衡器的穩(wěn)定運(yùn)行。
【關(guān)鍵詞】稱重傳感器 檢測電路 輸入阻抗
電阻應(yīng)變式稱重傳感器為稱重系統(tǒng)的核心部件之一,它直接決定了稱重結(jié)果的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性。將4個(gè)電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體上組成稱重傳感器的惠斯登電橋,當(dāng)不承受載荷時(shí),彈性敏感元件不產(chǎn)生應(yīng)變,應(yīng)變片的電阻不變,電橋平衡.輸出電壓為零;反之,應(yīng)變片電阻改變,電橋失去平衡,傳感器輸出與被測載荷重量成比例的電壓信號(hào)。在實(shí)際使用中,由于受到原材料及制造工藝、安裝方法、使用條件及外部環(huán)境的影響,很容易發(fā)生故障,影響電子衡器計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及穩(wěn)定的運(yùn)行。因此,了解稱重傳感器的基本原理及故障原因,熟練掌握故障的分析判斷技術(shù),是快速準(zhǔn)確地處理電子衡器的故障,保證其準(zhǔn)確、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
1 基本原理
1.1 組成
電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片、彈性元件、測量電路和傳輸電纜4部分組成。
1.2 傳感器電阻應(yīng)變片
電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上,即成為一片應(yīng)變片。它的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。有一個(gè)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(shí),它的電阻值為R:
R=ρL/S(Ω) (1)
當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí),將會(huì)伸長,也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長ΔL,其橫截面積則縮小,即它的截面圓半徑減少Δr。此外,還可用實(shí)驗(yàn)證明,此金屬電阻絲在變形后,電阻率也會(huì)有所改變,記作Δρ。
對(duì)式(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:
ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2 (2)
用式(1)去除式(2)得到:
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S (3)
另外,我們知道導(dǎo)線的橫截面積S=πr2,則Δs=2πr*Δr,所以:
ΔS/S=2Δr/r (4)
從材料力學(xué)我們知道:
Δr/r=-μΔL/L (5)
其中,負(fù)號(hào)表示伸長時(shí),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(4)(5)代入(1-3),有:ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L=(1+2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L=K*ΔL/L (6)
其中:K=1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L) (7)
式(6)說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率(電阻相對(duì)變化)和電阻絲伸長率(長度相對(duì)變化)之間的關(guān)系。
需要說明的是: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(gè)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(gè)無因次量,即它沒有量綱。
2 稱重傳感器彈性體的原理
彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè),首先是它承受稱重傳感器所受的外力,對(duì)外力產(chǎn)生反作用力,達(dá)到相對(duì)靜平衡;其次,它要產(chǎn)生一個(gè)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)變片電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。
設(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力,但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神,一為壓縮,若把應(yīng)變片貼在這里,則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加,而應(yīng)變片的下半部將受壓縮,阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式,而不再推導(dǎo)。
ε=(3Q(1+μ)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/(B(H3-h3)+bh3) (8)
其中:Q--截面上的剪力;E--揚(yáng)氏模量:μ-泊松系數(shù);B、b、H、h-為梁的幾何尺寸。需要說明的是,上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況,而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。
3 檢測電路原理
檢測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?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn),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。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高,各臂參數(shù)一致,各種干擾的影響容易相互抵銷,所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。稱重傳感器的彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形,使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形,電阻應(yīng)變片變形后,它的阻值將發(fā)生變化(增大或減?。?。再經(jīng)相應(yīng)的檢測電路,把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流)輸出,從而完成將外力變換為電信號(hào)的過程。
4 實(shí)例分析
(1)我廠倒灌站受鐵車上有一套稱重系統(tǒng),由4只稱重傳感器和一塊顯示儀表組成,用于測量鐵水包的重量,投入使用后重量數(shù)據(jù)采集的一直很好,但是經(jīng)過半年后發(fā)現(xiàn),鋼包加滿鐵水后經(jīng)過一段時(shí)間穩(wěn)定下來的重量值逐漸增加,鋼包吊走后儀表不歸零,數(shù)值逐漸降低。檢查傳感器的輸入、輸出電阻,傳感器對(duì)地性、傳感器橋壓值、信號(hào)輸出與正常時(shí)差異不大。后采用逐個(gè)排除的方法發(fā)現(xiàn)有一個(gè)傳感器產(chǎn)生了溫度漂移。更換新傳感器后,問題得到解決。(2)我廠汽車衡在使用過程中出現(xiàn)儀表采集數(shù)據(jù)不穩(wěn),零點(diǎn)跳變,稱量重物時(shí)變化大。使用萬用表對(duì)各傳感器進(jìn)行測量,輸入輸出阻值正常,傳感器的輸出信號(hào)也相差不大,但是在測量傳感器的絕緣性能時(shí)發(fā)現(xiàn)一只傳感器對(duì)地阻值為100歐姆。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該傳感器由于雨季造成傳感器長時(shí)間浸泡在雨水中,造成傳感器絕緣性下降,影響稱量精度。
5 結(jié)語
為了保證電子衡器的計(jì)量準(zhǔn)確度及計(jì)量穩(wěn)定性,必須保證稱重傳感器的質(zhì)量。作為用戶來說,首先要根據(jù)使用要求及使用條件,選擇相應(yīng)規(guī)格高精度、高質(zhì)量的稱重傳感器,更要重視它的安裝要求,熟悉傳感器的特性參數(shù)。掌握稱重傳感器的故障判斷方法,在日常維護(hù)工作中,以便能夠快速、準(zhǔn)確地判斷出故障傳感器,并及時(shí)處理,使電子衡器長期工作在最佳狀態(tài)。
作者簡介:武世卿(1978—),男,河北衡水人,本科,工程師,研究方向:自動(dòng)化儀表的技術(shù)管理。