電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理及故障分析

武世卿

（唐山鋼鐵股份有限公司，河北唐山　063000）

電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理及故障分析

武世卿

（唐山鋼鐵股份有限公司，河北唐山063000）

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。

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，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。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：

當(dāng)他的兩端受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，電阻率也會有所改變，記作Δ ρ。

對式（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：

用式（1）去除式（2）得到：

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（4）（5）代入（1-3），有：

式（6）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。

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。

2　稱重傳感器彈性體的原理

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)變片電信號的轉(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（電壓或電流）輸出，從而完成將外力變換為電信號的過程。

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，傳感器對地性、傳感器橋壓值、信號輸出與正常時差異不大。后采用逐個排除的方法發(fā)現(xiàn)有一個傳感器產(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，稱量重物時變化大。使用萬用表對各傳感器進(jìn)行測量，輸入輸出阻值正常，傳感器的輸出信號也相差不大，但是在測量傳感器的絕緣性能時發(fā)現(xiàn)一只傳感器對地阻值為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，并及時處理，使電子衡器長期工作在最佳狀態(tài)。

武世卿（1978—），男，河北衡水人，本科，工程師，研究方向：自動化儀表的技術(shù)管理。