地磅称重传感器工作原理及常见故障

地磅是一种利用力―电变换原理将非电量的重力转变为电量的称重设备，而能实现这一目的的关键装置就是称重传感器（即被称为一次仪表元件），它处于称重台面的着力支点上，必须具有良好的刚度、强度、抗疲劳等机械性能。
　　一、前言
　　地磅是一种利用力―电变换原理将非电量的重力转变为电量的称重设备。而能实现这一目的的关键装置就是称重传感器（即被称为一次仪表元件），它处于称重台面的着力支点上，必须具有良好的刚度、强度、抗疲劳等机械性能，并承载着台面所受负载的合力。目前普遍采用电阻应变式称重传感器。
　　二、称重传感器的工作原理
　　弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）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），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
　　1.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。
　　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：
　　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（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：
　　用式（2-1）去除式（2-2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔS/S （2-3）
　　另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则 Δs = 2πr×Δr，所以
　　从材料力学我们知道：
　　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（2-4）（2-5）代入（2-3），有
　　式（2-6））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。
　　在材料力学中，ΔL/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（2-6）常写作：
　　2.弹性体。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电信号的转换任务。
　　以SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。
　　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。
　　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。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，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
　　三、称重传感器常见技术故障及解决方法
　　l.由于称重不当使传感器受损。（1）被称车辆（或物体）严重超载。（2）在称重过程中产生撞击，此时物体自身重量加上因重力下坠而产生的动能使物体在接触称重平台时产生的撞击力大大超过传感器的额定载荷，导致传感器受损。
　　解决的方法：（1）必须严禁超负荷称量。（2）为称重平台安装减震或防撞击保护装置。（3）增加称重传感器的额定载荷，地磅使用中时有出现丢车、测量不准的现象，多数是由于称重传感器发生的故障引起的。确认是传感器故障后，可通过更换传感器使动态衡恢复正常工作。
　　2.由于选用传感器密封方式不当，使传感器受损。电子汽车衡器经常在恶劣环境下使用，如果使用了密封性能较差的传感器，由于工业粉尘、各类腐蚀性介质等因素的影响，极易使电阻应变片的阻值发生改变，使得称量结果产生误差。此时可用数字万用表对传感器的输入、输出阻抗进行测量。当测量值与产品提供的技术参数或合格证书所标示值的偏差较大时，即可认定该传感器已损坏，此时应更换密封性能优良的传感器（如选用硅胶密封方式甚至焊接密封方式的称重传感器）。
　　3.由于受潮使称量时产生偏差。当传感器受潮后，显示仪表经常出现无法自动回零，数字来回变动等现象。用手动进行复零后，仍会出现数字跳动现象，在空称状态下跳动的数字在某区间范围内无规律波动。当用万用表对其输入、输出阻抗进行测量时，测量值却并不超差，此时可按下述方法进行判断处理：
　　（1）拆下所有称重传感器，将其逐一单独进入测量电路，空秤状态下，未受潮的传感器会立即自动回零且显示值稳定。而受潮后的传感器就可能出现数字跳动，无法回零等现象。手动回零后，上述现象又会重复出现。
　　（2）若上述方法仍无法判断时，可采用标准计量法进行分辨，方法是用标准砝码（或标准比对物）对所有传感器逐一进行载荷标定。未受潮的传感器所显示的测量值即为逐渐加载的标准砝码值，而受潮后的传感器显示的测量值会与标准砝码（或比对物）值产生较大的偏差（地磅或轨道衡出现显示偏差般≤5 t ）。故在易受潮的场所除选用合适的密封方式外，在安装之前先用黄油涂抹整个传感器，当所有传感器安装完毕，有必要对传感器与安装基座接触处、接线口、接线盒缝等易受潮处涂抹黄油进行彻底密封。
　　4.其他因素的影响。由于客观环境的制约，许多电子衡器（特别是大型电子轨道衡）的电源线、信号线、屏蔽线、接地线等通过穿线管与传感器与显示器进行连接，有时穿线管道必须埋设在地下，而雨水的作用易使导线短路、断路及接地现象。各线路间的绝缘性能降低，也会对称重测量产生一定的误差.

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