橋式稱重傳感器稱重原理,及常見故障解決方法.維修*!

橋式稱重傳感器稱重原理,及常見故障解決方法.維修*!

    以稱重傳感器為核心的電子衡器在實(shí)際的使用過程中引發(fā)故障的原因很多，有時(shí)幾個(gè)故障可能同時(shí)出現(xiàn)。是在傳感器工作原理的基礎(chǔ)上制作傳感器檢查表，以提高分析 的針對(duì)性和分析效率，從而快速而又準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)故障。在檢查稱重傳感器故障時(shí)，首先要對(duì) 稱重傳感器的外觀進(jìn)行檢查，然后根據(jù)檢查表對(duì)其進(jìn)行逐步的分析和測試，相信故障就會(huì)很 快排除.

下面我們就來具體講解下稱重傳感器稱重原理,及常見故障解決方法

稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號(hào)輸出的裝置， 其工作原理是把加到秤盤上的物體重量轉(zhuǎn)換成與該重量成比例的電信號(hào)，然后將輸出的電信 號(hào)放大和 A/D 轉(zhuǎn)換后由相關(guān)電路顯示出稱重信息。其中電阻應(yīng)變式稱重傳感器由于其結(jié)構(gòu) 較簡單，準(zhǔn)確度高，適用面廣，穩(wěn)定性強(qiáng)，且能夠在相對(duì)比較差的環(huán)境下使用，因此在衡器 中得到了廣泛地運(yùn)用。本文就電阻應(yīng)變式稱重傳感器的應(yīng)用故障進(jìn)行了一些探討。

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息， 這就需要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或* 狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就 失去了基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實(shí) 現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度化 的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置。電阻應(yīng)變式稱重傳感器由于 其制作工藝較為簡單，加工成本較為低廉，故被企業(yè)大批量生產(chǎn)，在我國工業(yè)生產(chǎn)過程檢測 與控制、自動(dòng)計(jì)量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。
2 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的組件

電阻應(yīng)變式稱重傳感器作為質(zhì)量—重量轉(zhuǎn)換元件，主要由三部分組成，即電阻應(yīng)變片、 彈性體和測量電路。

2.1 電阻應(yīng)變片（傳感元件）

電阻應(yīng)變片也稱電阻應(yīng)變計(jì)，簡稱應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)，是由敏感柵等構(gòu)成用于測量應(yīng)變的 元件。它能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。電阻應(yīng)變片是由Φ=0.02-0.05mm 的 康銅絲或鎳鉻絲繞成柵狀（或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀）夾在兩層絕緣薄片中（基底）制 成。用鍍銀銅線與應(yīng)變片絲柵連接，作為電阻片引線。

電阻應(yīng)變片的測量原理：金屬絲的電阻值除了與材料的性質(zhì)有關(guān)之外，還與金屬絲的長 度，橫截面積有關(guān)。將金屬絲粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，金屬絲的長度和橫截面積 也隨著構(gòu)件一起變化，進(jìn)而發(fā)生電阻變化。

R/R=K*ε （1）

其中，K 為材料的靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變的電阻變化率，標(biāo)志著該類絲材電 阻應(yīng)變片效應(yīng)顯著與否。ε為測點(diǎn)處應(yīng)變，為無量綱的量，但習(xí)慣上仍給以單位微應(yīng)變，常用符號(hào)με表示。由此可知，金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時(shí)，應(yīng)變ε與電阻變化率 dR/R 成線性 關(guān)系，這就是利用金屬應(yīng)變片來測量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。

我們來介紹一下靈敏系數(shù) K 的意義。設(shè)有一個(gè)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(shí)，它的電阻值為 R：
R=ρL/S（Ω） （2）

當(dāng)它的兩端受 F 力作用時(shí)，將會(huì)伸長，也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長 L，其橫截面積 則縮小，即它的截面圓半徑減少 r。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，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有：

 R=ΔρL/S+  Lρ/S– SρL/S2 （3）
用式（3）去除式（2）得到  
 R/R=Δρ/ρ+  L/L– S/S （4）
另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積 S=πr2，則 s=2πr*  r， 
所以 S/S=2  r/r （5）
 r/r=-μΔL/L （6）

其中，負(fù)號(hào)表示伸長時(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（5） （6）代入（3），有

R/R=Δρ/ρ+  L/L+2μΔL/L

=［1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L）］*  L/L

=K*  L/L （7）

其中

K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）

式（7）說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長率（長度相對(duì) 變化）之間的關(guān)系。

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)無因次 量，即它沒有量綱。在材料力學(xué)中 L/L 稱作為應(yīng)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（1）常寫作：

R/R=Kμε

2.2 彈性體（敏感元件）

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（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)變到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。用做稱重傳感器彈性 體的金屬材料，由于其內(nèi)部復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系，當(dāng)受到外力作用后在微小晶粒之間會(huì)產(chǎn)生 微應(yīng)變，在外力消失以后，微應(yīng)變隨之消失，但是是否能夠*恢復(fù)到不受力的原始狀態(tài)， 則因彈性體的金屬材料而異。如果加載力的曲線和卸載力的曲線不重合，差值越大，則遲滯 性越大。其差值主要來源于材料本身成分的穩(wěn)定性、均勻性、熱處理后的徑向組織等等。知 道遲滯性產(chǎn)生的原因，我們可以通過選擇合適的金屬材料，采用*的熱處理方式提高彈性 極限，來減小產(chǎn)生遲滯性從而取得很好的綜合機(jī)械性能。

傳感器彈性體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵守以下原則： （1）彈性元件應(yīng)變區(qū)受力單一，應(yīng)力分布均勻； （2）支承區(qū)盡量形成剛性固定，安裝力遠(yuǎn)離應(yīng)變區(qū)，必要時(shí)采取柔性隔離技術(shù)； （3）加載、承載的壓頭、壓墊設(shè)計(jì)，應(yīng)使加載線與彈性元件中心線重合，保證加載點(diǎn)穩(wěn)定不變； （4）彈性元件的結(jié)構(gòu)和外殼設(shè)計(jì)應(yīng)盡量消除或減少力學(xué)干擾因素（橫向力、彎矩、扭

矩）的影響，把性能波動(dòng)減至zui??； （5）若結(jié)構(gòu)條件允許，盡量采取過載保護(hù)措施，提高工作的安全可靠性； （6）彈性元件應(yīng)變區(qū)貼片處應(yīng)開敞便于貼片作業(yè)，貼片表面盡量為平面并容易安裝加

壓固化夾具； （7）彈性元件粘貼電阻應(yīng)變計(jì)處便于防護(hù)密封作業(yè)，焊接膜片的鋼度及焊接坡口設(shè)計(jì)

合理，保證密封質(zhì)量； （8）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)考慮制造工藝，作到設(shè)計(jì)為可制造性服務(wù)； （9）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮可靠性，即可靠性設(shè)計(jì)； （10）工藝設(shè)計(jì)應(yīng)有利于大批量生產(chǎn)和工藝流程網(wǎng)絡(luò)化的統(tǒng)計(jì)制程管理。
2.3 惠斯登電橋（測量電路）

測量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?優(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。

3 稱重傳感器的故障排除實(shí)例

現(xiàn)在我們來探討一下稱重傳感器在使用中出現(xiàn)的故障問題以及如何排除故障。使用中的 電阻應(yīng)變式傳感器故障往往會(huì)導(dǎo)致稱重系統(tǒng)漂移，顯示不穩(wěn)定或不顯示數(shù)據(jù)等現(xiàn)象。下面主 要介紹模擬傳感器中一些常見的故障和故障排除方法和步驟。

引起傳感器故障的原因很多，但歸納起來看其實(shí)分為內(nèi)部和外部原因。內(nèi)部原因主要是 有傳感器本身造成的故障，外部原因則是一些人為或自然因素?fù)p壞，比如傳感器過載，沖擊， 或不小心跌落，大力拽傳感器導(dǎo)線，雷擊或大電流通過傳感器，化學(xué)腐蝕，潮氣侵蝕或高粉 塵環(huán)境以及傳感器內(nèi)部的元器件的老化等。故障原因我們可以從傳感器構(gòu)成的幾個(gè)主要部分 來分析，可以按因果關(guān)系來進(jìn)行一一分析。傳感器組成分為三個(gè)部分，即彈性體和電阻應(yīng)變 片和輸出的連接電路。如果從傳感器出現(xiàn)的故障現(xiàn)象來看，其本質(zhì)是輸出故障。對(duì)此，我們 要采用關(guān)聯(lián)法來分析，即采用傳感器自身的信號(hào)輸出流程來分析。

為了解決問題的方便，我們可以參考 DSP 中處理信號(hào)的原理，將這四個(gè)步驟等效成 4 個(gè)模塊，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)自己的功能，這些模塊是以流水線形式來處理變換的。

按照關(guān)聯(lián)法來看，輸出故障有可能在zui終輸出前的每個(gè)模塊中出現(xiàn)。其中在從模塊②到 模塊③過程中，包含著機(jī)械到電子的轉(zhuǎn)換，在此膠水起著關(guān)鍵作用，起到了中介煤質(zhì)作用。 所以，我們就可以對(duì)這類故障進(jìn)行模塊逐步排除法。

模塊①的故障是很清楚明了的，可以清晰地看出重量的變換。

模塊②的故障主要體現(xiàn)在彈性體設(shè)計(jì)和材料等方面，可以采取測量傳感器的重復(fù)性、非線性和滯后性等性能指標(biāo)來驗(yàn)證。

模塊③的故障主要體現(xiàn)在輸入和輸出電阻的阻值變化上面，在此可以采用測量輸出輸入電阻值的方法來判斷。在檢測時(shí)，應(yīng)將傳感器同接線盒和其它測試設(shè)備斷開，依次測量傳感 器的輸入端頭和輸出端阻抗值，對(duì)比測試值與產(chǎn)品的合格證的數(shù)值是否一致。

模塊④的故障主要體現(xiàn)輸出端沒有電壓或者電流出現(xiàn)，在此可以采取測量電纜端是否有 輸出信號(hào)來判斷。

利用這 4 個(gè)解決問題的方向，我們就可以對(duì)一些故障現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)。

故障一：稱重載荷加到傳感器上時(shí),顯示儀表上無重量顯示

（1）先檢查模塊④功能是否正常，測量電橋電路的輸入端和電壓輸出是否正常，若電壓電路有故障，排除后再做進(jìn)一步檢查。

（2）排除模塊④功能后，再檢查模塊③與模塊④之間的連接，檢查電橋焊點(diǎn)是否有虛焊或者開焊現(xiàn)象,使電橋不工作。

（3）如果排除模塊④與模塊③之間連接故障，接著查模塊③，檢查傳感器中是否有異物,電阻應(yīng)變片是否發(fā)生應(yīng)變，電阻是否變化。

（4）模塊②出現(xiàn)問題，應(yīng)變片變形不符合要求。

故障二：稱重傳感器未加載荷時(shí)，顯示值出現(xiàn)零飄、不回零、跳變 （1）模塊④電橋某一橋臂有虛焊現(xiàn)象，或某個(gè)焊點(diǎn)有“碰地”現(xiàn)象。

（2）模塊③粘貼電阻應(yīng)變片處開膠。

（3）模塊③與模塊②連接處，電橋與彈性底之間絕緣電阻值下降。 （4）模塊②出現(xiàn)問題，應(yīng)變片變形不符合要求。

故障三：稱重顯示值不準(zhǔn)確

（1）模塊②出現(xiàn)問題，彈性體變形有問題，可能彈性體被摔、碰撞、造成局部斷裂， 或者彈性體疲勞過度，使彈性體失去應(yīng)有的應(yīng)力變化因而讀數(shù)不準(zhǔn)。

（2）模塊③出現(xiàn)問題，由于某種原因造成供橋電壓升高或者電阻應(yīng)變片過熱，使應(yīng)變 片粘膠損壞，阻值改變。

（3）模塊④出現(xiàn)問題，可能在高溫或溫度變化大的環(huán)境中使用，輸出電路元器件不穩(wěn) 定或者損壞。

故障四：載荷加到彈性體上時(shí)，顯示值各不相同

（1）模塊②出現(xiàn)問題，彈性體本身變化不穩(wěn)定。

（2）模塊③出現(xiàn)問題，電阻應(yīng)變片本身的特性不好。

（3）模塊②與模塊③連接部分出問題，粘貼劑變質(zhì)使應(yīng)變片粘貼不牢。

（4）模塊④組橋電路出現(xiàn)問題，其元器件性能不穩(wěn)定或者外界影響了電路板的輸出。

故障五：載荷加到彈性體上時(shí)，顯示值隨時(shí)間變化，載荷越大變化越大。

（1）模塊②出現(xiàn)問題，彈性體本身變化不穩(wěn)定。

（2）模塊②與模塊③之間出現(xiàn)問題，粘貼膠選用不當(dāng)或老化變質(zhì)或者環(huán)境潮濕、粘貼層過厚或固化不良。

總之，在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，可以逐個(gè)模塊進(jìn)行分析，找出zui有可能出現(xiàn)問題的模塊，這樣就能快速而準(zhǔn)確的排除故障。

總結(jié)：以上是傳感器的一些維修知識(shí)，希望對(duì)各位使用衡器的用戶及廠家有一定的幫助及實(shí)用。

銷售代表：郭曉金       

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