衡之准电气

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称重传感器原理
  以称重传感器为核心的电子衡器在实际的使用过程中引发故障的原因很多,有时几个故障可能同时出现。最好是在传感器工作原理的基础上制作传感器检查表,以提高分析 的针对性和分析效率,从而快速而又准确的发现故障。在检查称重传感器故障时,首先要对 称重传感器的外观进行检查,然后根据检查表对其进行逐步的分析和测试,相信故障就会很 快排除.
下面我们就来具体讲解下称重传感器称重原理,及常见故障解决方法
称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置, 其工作原理是把加到秤盘上的物体重量转换成与该重量成比例的电信号,然后将输出的电信 号放大和 A/D 转换后由相关电路显示出称重信息。其中电阻应变式称重传感器由于其结构 较简单,准确度高,适用面广,稳定性强,且能够在相对比较差的环境下使用,因此在衡器 中得到了广泛地运用。本文就电阻应变式称重传感器的应用故障进行了一些探讨。
1 引言
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息, 这就需要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳 状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就 失去了基础。随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实 现了对物料的快速、准确的称量,特别是随着微处理机的出现,工业生产过程自动化程度化 的不断提高,称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置。电阻应变式称重传感器由于 其制作工艺较为简单,加工成本较为低廉,故被企业大批量生产,在我国工业生产过程检测 与控制、自动计量等领域已大量应用。
2 电阻应变式称重传感器的组件
电阻应变式称重传感器作为质量—重量转换元件,主要由三部分组成,即电阻应变片、 弹性体和测量电路。
2.1 电阻应变片(传感元件)
电阻应变片也称电阻应变计,简称应变片或应变计,是由敏感栅等构成用于测量应变的 元件。它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。电阻应变片是由Φ=0.02-0.05mm 的 康铜丝或镍铬丝绕成栅状(或用很薄的金属箔腐蚀成栅状)夹在两层绝缘薄片中(基底)制 成。用镀银铜线与应变片丝栅连接,作为电阻片引线。
电阻应变片的测量原理:金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外,还与金属丝的长 度,横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上,当构件受力变形时,金属丝的长度和横截面积 也随着构件一起变化,进而发生电阻变化。
R/R=K*ε (1)
其中,K 为材料的灵敏系数,其物理意义是单位应变的电阻变化率,标志着该类丝材电 阻应变片效应显著与否。ε为测点处应变,为无量纲的量,但习惯上仍给以单位微应变,常用符号με表示。由此可知,金属丝在产生应变效应时,应变ε与电阻变化率 dR/R 成线性 关系,这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。
我们来介绍一下灵敏系数 K 的意义。设有一个金属电阻丝,其长度为 L,横截面是半 径为 r 的圆形,其面积记作 S,其电阻率记作ρ,这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝 未受外力作用时,它的电阻值为 R:
R=ρL/S(Ω) (2)
当它的两端受 F 力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。设其伸长 L,其横截面积 则缩小,即它的截面圆半径减少 r。此外,还可用实验证明,此金属电阻丝在变形后,电 阻率也会有所改变,记作Δρ。
对式(2--1)求全微分,即求出电阻丝伸长后,他的电阻值改变了多少。我们有:
 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,我们知道导线的横截面积 S=πr2,则 s=2πr*  r,
所以 S/S=2  r/r (5)
 r/r=-μΔL/L (6)
其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。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)说明了电阻应变片的电阻变化率(电阻相对变化)和电阻丝伸长率(长度相对 变化)之间的关系。
灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数,它和应变片 的形状、尺寸大小无关,不同的材料的 K 值一般在 1.7—3.6 之间;其次 K 值是一个无因次 量,即它没有量纲。在材料力学中 L/L 称作为应变,记作ε,用它来表示弹性往往显得太 大,很不方便常常把它的百万分之一作为单位,记作με。这样,式(1)常写作:
R/R=Kμε
2.2 弹性体(敏感元件)
弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个,首先是它承受称重传感器所受的 外力,对外力产生反作用力,达到相对静平衡;其次,它要产生一个高品质的应变场(区), 使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变到电信号的转换任务。用做称重传感器弹性 体的金属材料,由于其内部复杂的组织结构关系,当受到外力作用后在微小晶粒之间会产生 微应变,在外力消失以后,微应变随之消失,但是是否能够完全恢复到不受力的原始状态, 则因弹性体的金属材料而异。如果加载力的曲线和卸载力的曲线不重合,差值越大,则迟滞 性越大。其差值主要来源于材料本身成分的稳定性、均匀性、热处理后的径向组织等等。知 道迟滞性产生的原因,我们可以通过选择合适的金属材料,采用先进的热处理方式提高弹性 极限,来减小产生迟滞性从而取得很好的综合机械性能。
传感器弹性体设计时应遵守以下原则: (1)弹性元件应变区受力单一,应力分布均匀; (2)支承区尽量形成刚性固定,安装力远离应变区,必要时采取柔性隔离技术; (3)加载、承载的压头、压垫设计,应使加载线与弹性元件中心线重合,保证加载点稳定不变; (4)弹性元件的结构和外壳设计应尽量消除或减少力学干扰因素(横向力、弯矩、扭
矩)的影响,把性能波动减至最小; (5)若结构条件允许,尽量采取过载保护措施,提高工作的安全可靠性; (6)弹性元件应变区贴片处应开敞便于贴片作业,贴片表面尽量为平面并容易安装加
压固化夹具; (7)弹性元件粘贴电阻应变计处便于防护密封作业,焊接膜片的钢度及焊接坡口设计
合理,保证密封质量; (8)在结构设计的同时应考虑制造工艺,作到设计为可制造性服务; (9)在结构设计时还应考虑可靠性,即可靠性设计; (10)工艺设计应有利于大批量生产和工艺流程网络化的统计制程管理。
2.3 惠斯登电桥(测量电路)
测量电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多 优点,如可以抑制温度变化的影响,可以抑制侧向力干扰,可以比较方便的解决称重传感器 的补偿问题等,所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。
3 称重传感器的故障排除实例
现在我们来探讨一下称重传感器在使用中出现的故障问题以及如何排除故障。使用中的 电阻应变式传感器故障往往会导致称重系统漂移,显示不稳定或不显示数据等现象。下面主 要介绍模拟传感器中一些常见的故障和故障排除方法和步骤。
引起传感器故障的原因很多,但归纳起来看其实分为内部和外部原因。内部原因主要是 有传感器本身造成的故障,外部原因则是一些人为或自然因素损坏,比如传感器过载,冲击, 或不小心跌落,大力拽传感器导线,雷击或大电流通过传感器,化学腐蚀,潮气侵蚀或高粉 尘环境以及传感器内部的元器件的老化等。故障原因我们可以从传感器构成的几个主要部分 来分析,可以按因果关系来进行一一分析。传感器组成分为三个部分,即弹性体和电阻应变 片和输出的连接电路。如果从传感器出现的故障现象来看,其本质是输出故障。对此,我们 要采用关联法来分析,即采用传感器自身的信号输出流程来分析。