电阻应变式称重传感器原理及故障分析

2017-08-04

   电阻应变式称重传感器为称重系统的核心部件之一,它直接决定了称重结果的准确度与稳定性。将4个电阻应变片粘贴在弹性体上组成称重传感器的惠斯登电桥,当不承受载荷时,弹性敏感元件不产生应变,应变片的电阻不变,电桥平衡.输出电压为零;反之,应变片电阻改变,电桥失去平衡,传感器输出与被测载荷重量成比例的电压信号。在实际使用中,由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响,很容易发生故障,影响电子衡器计量数据的准确及稳定的运行。因此,了解称重传感器的基本原理及故障原因,熟练掌握故障的分析判断技术,是快速准确地处理电子衡器的故障,保证其准确、稳定运行的关键。
  1 基本原理
  1.1 组成
  电阻应变式传感器主要由电阻应变片、弹性元件、测量电路和传输电缆4部分组成。
  1.2 传感器电阻应变片
  电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。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) (1)
  当他的两端受F力作用时,将会伸长,也就是说产生变形。设其伸长ΔL,其横截面积则缩小,即它的截面圆半径减少Δr。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(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:
  ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S�CΔSρL/S2 (2)
  用式(1)去除式(2)得到:
  ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L�CΔS/S (3)
  另外,我们知道导线的横截面积S=πr2,则Δs=2πr*Δr,所以:
  ΔS/S=2Δr/r (4)
  从材料力学我们知道:
  Δr/r=-μΔL/L (5)
  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(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)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。
  需要说明的是: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。
  2 称重传感器弹性体的原理
  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片电信号的转换任务。
  设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力,但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神,一为压缩,若把应变片贴在这里,则应变片上半部将受拉伸而阻值增加,而应变片的下半部将受压缩,阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式,而不再推导。
  ε=(3Q(1+μ)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/(B(H3-h3)+bh3) (8)
  其中:Q--截面上的剪力;E--扬氏模量:μ-泊松系数;B、b、H、h-为梁的几何尺寸。需要说明的是,上面分析的应力状态均是“局部”情况,而应变片实际感受的是“平均”状态。
  3 检测电路原理
  检测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。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高,各臂参数一致,各种干扰的影响容易相互抵销,所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小)。再经相应的检测电路,把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)输出,从而完成将外力变换为电信号的过程。
  4 实例分析
  (1)我厂倒灌站受铁车上有一套称重系统,由4只称重传感器和一块显示仪表组成,用于测量铁水包的重量,投入使用后重量数据采集的一直很好,但是经过半年后发现,钢包加满铁水后经过一段时间稳定下来的重量值逐渐增加,钢包吊走后仪表不归零,数值逐渐降低。检查传感器的输入、输出电阻,传感器对地性、传感器桥压值、信号输出与正常时差异不大。后采用逐个排除的方法发现有一个传感器产生了温度漂移。更换新传感器后,问题得到解决。(2)我厂汽车衡在使用过程中出现仪表采集数据不稳,零点跳变,称量重物时变化大。使用万用表对各传感器进行测量,输入输出阻值正常,传感器的输出信号也相差不大,但是在测量传感器的绝缘性能时发现一只传感器对地阻值为100欧姆。经检查发现该传感器由于雨季造成传感器长时间浸泡在雨水中,造成传感器绝缘性下降,影响称量精度。
  5 结语
  为了保证电子衡器的计量准确度及计量稳定性,必须保证称重传感器的质量。作为用户来说,首先要根据使用要求及使用条件,选择相应规格高精度、高质量的称重传感器,更要重视它的安装要求,熟悉传感器的特性参数。掌握称重传感器的故障判断方法,在日常维护工作中,以便能够快速、准确地判断出故障传感器,并及时处理,使电子衡器长期工作在最佳状态。