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地磅稱重傳感器工作原理及常見故障

地磅是一種利用力―電變換原理將非電量的重力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康姆Q重設(shè)備，而能實(shí)現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵裝置就是稱重傳感器（即被稱為一次儀表元件），它處于稱重臺(tái)面的著力支點(diǎn)上，必須具有良好的剛度、強(qiáng)度、抗疲勞等機(jī)械性能。
　　一、前言
　　地磅是一種利用力―電變換原理將非電量的重力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康姆Q重設(shè)備。而能實(shí)現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵裝置就是稱重傳感器（即被稱為一次儀表元件），它處于稱重臺(tái)面的著力支點(diǎn)上，必須具有良好的剛度、強(qiáng)度、抗疲勞等機(jī)械性能，并承載著臺(tái)面所受負(fù)載的合力。目前普遍采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器。
　　二、稱重傳感器的工作原理
　　彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）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（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。
　　1.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(lái)介紹一下它的意義。
　　設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，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：
　　當(dāng)它的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng)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（2-1）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。我們有：
　　用式（2-1）去除式（2-2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔS/S （2-3）
　　另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = πr2，則 Δs = 2πr×Δr，所以
　　從材料力學(xué)我們知道：
　　其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)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（2-4）（2-5）代入（2-3），有
　　式（2-6））說(shuō)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(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。
　　需要說(shuō)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(wú)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(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。
　　在材料力學(xué)中，ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，很不方便。常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作με。這樣，式（2-6）常寫作：
　　2.彈性體。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(chǎng)（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)變電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。
　　以SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來(lái)介紹一下其中的應(yīng)力分布。
　　設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)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)。
　　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(shuō)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(cè)電路。檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。
　　三、稱重傳感器常見技術(shù)故障及解決方法
　　l.由于稱重不當(dāng)使傳感器受損。（1）被稱車輛（或物體）嚴(yán)重超載。（2）在稱重過(guò)程中產(chǎn)生撞擊，此時(shí)物體自身重量加上因重力下墜而產(chǎn)生的動(dòng)能使物體在接觸稱重平臺(tái)時(shí)產(chǎn)生的撞擊力大大超過(guò)傳感器的額定載荷，導(dǎo)致傳感器受損。
　　解決的方法：（1）必須嚴(yán)禁超負(fù)荷稱量。（2）為稱重平臺(tái)安裝減震或防撞擊保護(hù)裝置。（3）增加稱重傳感器的額定載荷，地磅使用中時(shí)有出現(xiàn)丟車、測(cè)量不準(zhǔn)的現(xiàn)象，多數(shù)是由于稱重傳感器發(fā)生的故障引起的。確認(rèn)是傳感器故障后，可通過(guò)更換傳感器使動(dòng)態(tài)衡恢復(fù)正常工作。
　　2.由于選用傳感器密封方式不當(dāng)，使傳感器受損。電子汽車衡器經(jīng)常在惡劣環(huán)境下使用，如果使用了密封性能較差的傳感器，由于工業(yè)粉塵、各類腐蝕性介質(zhì)等因素的影響，極易使電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，使得稱量結(jié)果產(chǎn)生誤差。此時(shí)可用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)傳感器的輸入、輸出阻抗進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)量值與產(chǎn)品提供的技術(shù)參數(shù)或合格證書所標(biāo)示值的偏差較大時(shí)，即可認(rèn)定該傳感器已損壞，此時(shí)應(yīng)更換密封性能優(yōu)良的傳感器（如選用硅膠密封方式甚至焊接密封方式的稱重傳感器）。
　　3.由于受潮使稱量時(shí)產(chǎn)生偏差。當(dāng)傳感器受潮后，顯示儀表經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)法自動(dòng)回零，數(shù)字來(lái)回變動(dòng)等現(xiàn)象。用手動(dòng)進(jìn)行復(fù)零后，仍會(huì)出現(xiàn)數(shù)字跳動(dòng)現(xiàn)象，在空稱狀態(tài)下跳動(dòng)的數(shù)字在某區(qū)間范圍內(nèi)無(wú)規(guī)律波動(dòng)。當(dāng)用萬(wàn)用表對(duì)其輸入、輸出阻抗進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量值卻并不超差，此時(shí)可按下述方法進(jìn)行判斷處理：
　　（1）拆下所有稱重傳感器，將其逐一單獨(dú)進(jìn)入測(cè)量電路，空秤狀態(tài)下，未受潮的傳感器會(huì)立即自動(dòng)回零且顯示值穩(wěn)定。而受潮后的傳感器就可能出現(xiàn)數(shù)字跳動(dòng)，無(wú)法回零等現(xiàn)象。手動(dòng)回零后，上述現(xiàn)象又會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。
　　（2）若上述方法仍無(wú)法判斷時(shí)，可采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量法進(jìn)行分辨，方法是用標(biāo)準(zhǔn)砝碼（或標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)物）對(duì)所有傳感器逐一進(jìn)行載荷標(biāo)定。未受潮的傳感器所顯示的測(cè)量值即為逐漸加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼值，而受潮后的傳感器顯示的測(cè)量值會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)砝碼（或比對(duì)物）值產(chǎn)生較大的偏差（地磅或軌道衡出現(xiàn)顯示偏差般≤5 t ）。故在易受潮的場(chǎng)所除選用合適的密封方式外，在安裝之前先用黃油涂抹整個(gè)傳感器，當(dāng)所有傳感器安裝完畢，有必要對(duì)傳感器與安裝基座接觸處、接線口、接線盒縫等易受潮處涂抹黃油進(jìn)行徹底密封。
　　4.其他因素的影響。由于客觀環(huán)境的制約，許多電子衡器（特別是大型電子軌道衡）的電源線、信號(hào)線、屏蔽線、接地線等通過(guò)穿線管與傳感器與顯示器進(jìn)行連接，有時(shí)穿線管道必須埋設(shè)在地下，而雨水的作用易使導(dǎo)線短路、斷路及接地現(xiàn)象。各線路間的絕緣性能降低，也會(huì)對(duì)稱重測(cè)量產(chǎn)生一定的誤差.

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