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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變為電量的稱重設備，而能實現這一目的的關鍵裝置就是稱重傳感器（即被稱為一次儀表元件），它處于稱重臺面的著力支點上，必須具有良好的剛度、強度、抗疲勞等機械性能。
　　一、前言
　　地磅是一種利用力―電變換原理將非電量的重力轉變為電量的稱重設備。而能實現這一目的的關鍵裝置就是稱重傳感器（即被稱為一次儀表元件），它處于稱重臺面的著力支點上，必須具有良好的剛度、強度、抗疲勞等機械性能，并承載著臺面所受負載的合力。目前普遍采用電阻應變式稱重傳感器。
　　二、稱重傳感器的工作原理
　　彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。
　　1.電阻應變片。電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。它的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。
　　設有一個金屬電阻絲，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是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：
　　當它的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Δρ。
　　對式（2-1）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（2-1）去除式（2-2）得到ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L - ΔS/S （2-3）
　　另外，我們知道導線的橫截面積S = πr2，則 Δs = 2πr×Δr，所以
　　從材料力學我們知道：
　　其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松系數。
　　把式（2-4）（2-5）代入（2-3），有
　　式（2-6））說明了電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關系。
　　需要說明的是：靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，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。
　　在材料力學中，ΔL/L稱作為應變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便。常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（2-6）常寫作：
　　2.彈性體。彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區），使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變電信號的轉換任務。
　　以SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。
　　設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力，但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應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的應變表達式，而不再推導。
　　其中：Q-截面上的剪力；E-揚氏模量：μ-泊松系數；B、b、H、h-為梁的幾何尺寸。
　　需要說明的是，上面分析的應力狀態均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態。
　　3.檢測電路。檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。因為惠斯登電橋具有很多優點，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。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故障及解決方法
　　l.由于稱重不當使傳感器受損。（1）被稱車輛（或物體）嚴重超載。（2）在稱重過程中產生撞擊，此時物體自身重量加上因重力下墜而產生的動能使物體在接觸稱重平臺時產生的撞擊力大大超過傳感器的額定載荷，導致傳感器受損。
　　解決的方法：（1）必須嚴禁超負荷稱量。（2）為稱重平臺安裝減震或防撞擊保護裝置。（3）增加稱重傳感器的額定載荷，地磅使用中時有出現丟車、測量不準的現象，多數是由于稱重傳感器發生的故障引起的。確認是傳感器故障后，可通過更換傳感器使動態衡恢復正常工作。
　　2.由于選用傳感器密封方式不當，使傳感器受損。電子汽車衡器經常在惡劣環境下使用，如果使用了密封性能較差的傳感器，由于工業粉塵、各類腐蝕性介質等因素的影響，極易使電阻應變片的阻值發生改變，使得稱量結果產生誤差。此時可用數字萬用表對傳感器的輸入、輸出阻抗進行測量。當測量值與產品提供的技術參數或合格證書所標示值的偏差較大時，即可認定該傳感器已損壞，此時應更換密封性能優良的傳感器（如選用硅膠密封方式甚至焊接密封方式的稱重傳感器）。
　　3.由于受潮使稱量時產生偏差。當傳感器受潮后，顯示儀表經常出現無法自動回零，數字來回變動等現象。用手動進行復零后，仍會出現數字跳動現象，在空稱狀態下跳動的數字在某區間范圍內無規律波動。當用萬用表對其輸入、輸出阻抗進行測量時，測量值卻并不超差，此時可按下述方法進行判斷處理：
　　（1）拆下所有稱重傳感器，將其逐一單獨進入測量電路，空秤狀態下，未受潮的傳感器會立即自動回零且顯示值穩定。而受潮后的傳感器就可能出現數字跳動，無法回零等現象。手動回零后，上述現象又會重復出現。
　　（2）若上述方法仍無法判斷時，可采用標準計量法進行分辨，方法是用標準砝碼（或標準比對物）對所有傳感器逐一進行載荷標定。未受潮的傳感器所顯示的測量值即為逐漸加載的標準砝碼值，而受潮后的傳感器顯示的測量值會與標準砝碼（或比對物）值產生較大的偏差（地磅或軌道衡出現顯示偏差般≤5 t ）。故在易受潮的場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傳感器，當所有傳感器安裝完畢，有必要對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行徹底密封。
　　4.其他因素的影響。由于客觀環境的制約，許多電子衡器（特別是大型電子軌道衡）的電源線、信號線、屏蔽線、接地線等通過穿線管與傳感器與顯示器進行連接，有時穿線管道必須埋設在地下，而雨水的作用易使導線短路、斷路及接地現象。各線路間的絕緣性能降低，也會對稱重測量產生一定的誤差.

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