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稱重傳感器原理及常見故障解決方法

稱重傳感器原理及常見故障解決方法
梅特勒-托利多(常州)精密儀器有限公司 馮志輝
【摘 要】 稱重傳感器實際上是一種將質量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置,其工作原理是把加到秤盤上的物體重量轉換成與該重量成比例的電信號,然后將輸出的電信號放大和A/D轉換后由相關電路顯示出稱重信息。其中電阻應變式稱重傳感器由于其結構較簡單,準確度高,適用面廣,穩定性強,且能夠在相對比較差的環境下使用,因此在衡器中得到了廣泛地運用。本文就電阻應變式稱重傳感器的應用故障進行了一些探討。
【關鍵詞】 稱重傳感器;放大;電阻應變;衡器
Abstract: Load cell is a device to convert a quality signal into a measurable electrical signal, its working principle is to convert a quality signal into an electrical signal proportional to the weight , then the output signal is showed after amplification and A/D conversion circuit . The resistance strain type load cell has been widely used in the scale due to its simple structure, high accuracy, wide application range, strong stability, and can be in a relatively poor environment. We will discuss the resistance strain load cell application in this paper.
Key words: load cell;amplify;resistance strain;scale
1 引言
在現代工業生產尤其是自動化生產過程中,首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息,這就需要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或最佳狀態,并使產品達到最好的質量。因此可以說,沒有眾多的優良的傳感器,現代化生產也就失去了基礎。隨著技術的進步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應用到各行各業,實現了對物料的快速、準確的稱量,特別是隨著微處理機的出現,工業生產過程自動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,故被企業大批量生產,在我國工業生產過程檢測與控制、自動計量等領域已大量應用。
2 電阻應變式稱重傳感器的組件
電阻應變式稱重傳感器作為質量—重量轉換元件,主要由三部分組成,即電阻應變片、彈性體和測量電路。
2.1 電阻應變片(傳感元件)
電阻應變片也稱電阻應變計,簡稱應變片或應變計,是由敏感柵等構成用于測量應變的元件。它能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化。電阻應變片是由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。用鍍銀銅線與應變片絲柵連接,作為電阻片引線。
電阻應變片的測量原理:金屬絲的電阻值除了與材料的性質有關之外,還與金屬絲的長度,橫截面積有關。將金屬絲粘貼在構件上,當構件受力變形時,金屬絲的長度和橫截面積也隨著構件一起變化,進而發生電阻變化。
ΔR/R=K*ε (1)
其中,K為材料的靈敏系數,其物理意義是單位應變的電阻變化率,標志著該類絲材電阻應變片效應顯著與否。ε為測點處應變,為無量綱的量,但習慣上仍給以單位微應變,常
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用符號με表示。由此可知,金屬絲在產生應變效應時,應變ε與電阻變化率dR/R成線性關系,這就是利用金屬應變片來測量構件應變的理論基礎。
我們來介紹一下靈敏系數K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:
R=ρL/S(Ω) (2)
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:
ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2 (3)
用式(3)去除式(2)得到
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S (4)
另外,我們知道導線的橫截面積S=πr2,則Δs=2πr*Δr,
所以 ΔS/S=2Δr/r (5)
Δr/r=-μΔL/L (6)
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(5)(6)代入(3),有
ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L
=[1+2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L)]*ΔL/L
=K*ΔL/L (7)
其中
K=1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L)
式(7)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。
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(1)常寫作:
ΔR/R=Kμε
2.2 彈性體(敏感元件)
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到電信號的轉換任務。用做稱重傳感器彈性體的金屬材料,由于其內部復雜的組織結構關系,當受到外力作用后在微小晶粒之間會產生微應變,在外力消失以后,微應變隨之消失,但是是否能夠完全恢復到不受力的原始狀態,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定性、均勻性、熱處理后的徑向組織等等。知道遲滯性產生的原因,我們可以通過選擇合適的金屬材料,采用先進的熱處理方式提高彈性極限,來減小產生遲滯性從而取得很好的綜合機械性能。
傳感器彈性體設計時應遵守以下原則:
(1)彈性元件應變區受力單一,應力分布均勻;
(2)支承區盡量形成剛性固定,安裝力遠離應變區,必要時采取柔性隔離技術;
(3)加載、承載的壓頭、壓墊設計,應使加載線與彈性元件中心線重合,保證加載點
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穩定不變;
(4)彈性元件的結構和外殼設計應盡量消除或減少力學干擾因素(橫向力、彎矩、扭矩)的影響,把性能波動減至最??;
(5)若結構條件允許,盡量采取過載保護措施,提高工作的安全可靠性;
(6)彈性元件應變區貼片處應開敞便于貼片作業,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變計處便于防護密封作業,焊接膜片的鋼度及焊接坡口設計合理,保證密封質量;
(8)在結構設計的同時應考慮制造工藝,作到設計為可制造性服務;
(9)在結構設計時還應考慮可靠性,即可靠性設計;
(10)工藝設計應有利于大批量生產和工藝流程網絡化的統計制程管理。
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,如可以抑制溫度變化的影響,可以抑制側向力干擾,可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等,所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。
圖1 電阻應變片電橋原理圖
稱重傳感器組橋電路中均有RL電阻,阻值比較大,為了方便分析,在此忽略不計RL作用,可以理解為阻值無窮大。
0v==?vvDB?+viRRR212viRRR433+
=()()viRRRRRRRRRRRR432132314232++?????+? (8)
若我們認為Vo=0時,稱之為電橋平衡,那么,電橋平衡的條件是R2·R4-R1·R3=0,即R2·R4=R1·R3。也就是說,只要電橋二對邊阻值的乘積相等,那么,電橋就平衡了,它的輸出等于零。
上面所說的是任意的惠斯頓電橋均有的特性。但稱重傳感器中采用的多為等臂電橋,即四個橋臂的初始阻值是相同的,即R1=R2=R3=R4,也就是說,阻值若不發生變化,Vo=0?,F在,我們讓橋臂在原始阻值都相等的條件下,各有一個小的增量加減△R,即是R1-△R,R2+△R,R3-△R,R4+△R。
()()22220444iiRRRR RRRRRvv+Δ??ΔΔ?Δ== (9) — 3 —
這就是全惠斯頓電橋輸出和輸入(激勵電壓)的關系。Vo和△R是線性關系。
3 稱重傳感器的故障排除實例
現在我們來探討一下稱重傳感器在使用中出現的故障問題以及如何排除故障。使用中的電阻應變式傳感器故障往往會導致稱重系統漂移,顯示不穩定或不顯示數據等現象。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,但歸納起來看其實分為內部和外部原因。內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損壞,比如傳感器過載,沖擊,或不小心跌落,大力拽傳感器導線,雷擊或大電流通過傳感器,化學腐蝕,潮氣侵蝕或高粉塵環境以及傳感器內部的元器件的老化等。故障原因我們可以從傳感器構成的幾個主要部分來分析,可以按因果關系來進行一一分析。傳感器組成分為三個部分,即彈性體和電阻應變片和輸出的連接電路。如果從傳感器出現的故障現象來看,其本質是輸出故障。對此,我們要采用關聯法來分析,即采用傳感器自身的信號輸出流程來分析。
為了解決問題的方便,我們可以參考DSP中處理信號的原理,將這四個步驟等效成4個模塊,每個模塊負責自己的功能,這些模塊是以流水線形式來處理變換的。
按照關聯法來看,輸出故障有可能在最終輸出前的每個模塊中出現。其中在從模塊②到模塊③過程中,包含著機械到電子的轉換,在此膠水起著關鍵作用,起到了中介煤質作用。所以,我們就可以對這類故障進行模塊逐步排除法。
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的故障主要體現在彈性體設計和材料等方面,可以采取測量傳感器的重復性、非線性和滯后性等性能指標來驗證。
模塊③的故障主要體現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,應將傳感器同接線盒和其它測試設備斷開,依次測量傳感器的輸入端頭和輸出端阻抗值,對比測試值與產品的合格證的數值是否一致。
模塊④的故障主要體現輸出端沒有電壓或者電流出現,在此可以采取測量電纜端是否有輸出信號來判斷。
利用這4個解決問題的方向,我們就可以對一些故障現象進行總結。
故障一:稱重載荷加到傳感器上時,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,檢查電橋焊點是否有虛焊或者開焊現象,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,電阻應變片是否發生應變,電阻是否變化。 — 4 —
(4)模塊②出現問題,應變片變形不符合要求。
故障二:稱重傳感器未加載荷時,顯示值出現零飄、不回零、跳變
(1)模塊④電橋某一橋臂有虛焊現象,或某個焊點有“碰地”現象。
(2)模塊③粘貼電阻應變片處開膠。
(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出現問題,應變片變形不符合要求。
故障三:稱重顯示值不準確
(1)模塊②出現問題,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,使彈性體失去應有的應力變化因而讀數不準。
(2)模塊③出現問題,由于某種原因造成供橋電壓升高或者電阻應變片過熱,使應變片粘膠損壞,阻值改變。
(3)模塊④出現問題,可能在高溫或溫度變化大的環境中使用,輸出電路元器件不穩定或者損壞。
故障四:載荷加到彈性體上時,顯示值各不相同
(1)模塊②出現問題,彈性體本身變化不穩定。
(2)模塊③出現問題,電阻應變片本身的特性不好。
(3)模塊②與模塊③連接部分出問題,粘貼劑變質使應變片粘貼不牢。
(4)模塊④組橋電路出現問題,其元器件性能不穩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,顯示值隨時間變化,載荷越大變化越大。
(1)模塊②出現問題,彈性體本身變化不穩定。
(2)模塊②與模塊③之間出現問題,粘貼膠選用不當或老化變質或者環境潮濕、粘貼層過厚或固化不良。
總之,在發現故障時,可以逐個模塊進行分析,找出最有可能出現問題的模塊,這樣就能快速而準確的排除故障。
4 結束語
總之,以稱重傳感器為核心的電子衡器在實際的使用過程中引發故障的原因很多,有時幾個故障可能同時出現。最好是在傳感器工作原理的基礎上制作傳感器檢查表,以提高分析的針對性和分析效率,從而快速而又準確的發現故障。在檢查稱重傳感器故障時,首先要對稱重傳感器的外觀進行檢查,然后根據檢查表對其進行逐步的分析和測試,相信故障就會很快排除。
參考文獻:
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作者簡介:
馮志輝(1976- ),男,梅特勒-托利多研發工程師,從事稱重傳感器產品開發。 — 5 —