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應(yīng)變式稱重傳感器故障原因分析
2020-02-08 14:47:20??????點擊：
應(yīng)變式稱重傳感器故障原因分析
隨著技術(shù)的進步，使用稱重傳感器 制作的電子衡器已廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，實現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱量，特別是隨著微處理機的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)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。應(yīng)變式傳感器由于其制作工藝較為簡單，加工成本較為低廉，故被大批量生產(chǎn)，在我國工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制、自動計量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。北京電子天平網(wǎng)http://www.balance1.cn/
應(yīng)變式傳感器基本定義：電阻應(yīng)變式傳感器是一種用金屬彈性體將力轉(zhuǎn)換為電信號的功能元件。它通過粘貼在彈性體敏感表面的電阻應(yīng)變計及其以一定方式組成的電橋電路，在外加電源的激勵下，實現(xiàn)力—應(yīng)變—電阻—電信號變化四個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化 的一種力敏感傳感器 。由于電阻應(yīng)變式傳感器必須通過一定形態(tài)的機械構(gòu)件來實現(xiàn)力的傳遞，通過電阻應(yīng)變計來實現(xiàn)電信號的傳遞，從而達到力的測量，因此，電阻應(yīng)變式傳感器被人們稱為機電一體化器件。二十世紀三十年代，人們發(fā)明了應(yīng)變計，利用應(yīng)變計對材料進行應(yīng)力分析，來研究材料的力學(xué)特性。隨著研究的深入，人們反其道來分析，利用金屬材料的穩(wěn)定性，設(shè)計出了各種電阻應(yīng)變式傳感器，來進行各種物理量的測量。二十世紀五十年代，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)變計制造技術(shù)的進一步成熟，電阻應(yīng)變式傳感器開始得到廣泛地應(yīng)用，各種結(jié)構(gòu)、不同用途的電阻應(yīng)變式傳感器也相應(yīng)被設(shè)計出來。
2、基本分類
人們對電阻應(yīng)變式傳感器的命名各種各樣，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)變式傳感器可分為：平膜片式、平行梁式、柱式、橋式、懸臂梁式、雙梁式、輪幅式、壓力環(huán)式、板環(huán)式等。根據(jù)其用途可以分為：
2測力傳感器、稱重傳感器、壓力傳感器、引伸計、位移傳感器、扭矩傳感器、速度傳感器、高度傳感器、加速度傳感器等。
3、應(yīng)用范圍
電阻應(yīng)變式傳感器的檢測對象——力，不單指垂直方向的拉力或壓力它還可以是力空間六分量中任何一個單獨的分量（力或力矩）。只要對彈性體進行專門設(shè)計，它可對融合作用于一個構(gòu)件的六分量進行互不干擾的檢測，同時輸出六個與被測量有線性關(guān)系的電信號。適當改變彈性體的承載結(jié)構(gòu)，電阻應(yīng)變式傳感器同樣可檢測壓強（單位 kg/m2），其中包括氣體壓強、液體壓強、土層壓強等。電阻應(yīng)變式傳感器還可應(yīng)用于位移檢測、應(yīng)變檢測、形位檢測、密度檢測及液位檢測。因為這些幾何量和物理量都可以通過彈性體結(jié)構(gòu)上的變化，將其轉(zhuǎn)換為力學(xué)量。如今，電阻應(yīng)變式傳感器已廣泛地應(yīng)用于航空、航天、鋼鐵、石油、煤炭、交通、計量、機械制造等等領(lǐng)域。
傳感器基本原理
1、傳感器的電路原理
電阻應(yīng)變式傳感器是通過彈性體來實現(xiàn)力的傳遞，通過粘貼于彈性體上的應(yīng)變計阻值的變化來實
現(xiàn)力—電信號轉(zhuǎn)換，通過惠斯登電橋的放大作用將信號輸出。
圖 1 電阻應(yīng)變式傳感器的基本電路圖
2、傳感器的電路計算
圖 1 是典型的惠斯登電橋，其計算分析過程為：
U=U0 R3/（R2+R3）-U0R4/（R1+R4）
=U0［R3（R1+R4）-R4（R2+R3）］/（R1+R4）（R2+R3）
=U0（R1·R3-R2·R4）/（R1+R4）（R2+R3）
對其微分：
3
△ U/U0 =（△ R1/R1-△R2/R2+△R3/R3-△R4/R4）/4
根據(jù)應(yīng)變計原理：Kε= △ R/R
△ U/U0 =（Kε1-Kε2+Kε3-Kε4）/4=K（ε1+ε3-ε4-ε2）/4
在上式中：U 為傳感器輸出電壓；U0 傳感器輸入電壓，即供橋電壓；R1、R2、R3、R4 分別為各橋臂應(yīng)變計標稱電阻值；K 為電阻應(yīng)變計的靈敏系數(shù)；ε 即為粘貼應(yīng)變計處彈性體的應(yīng)變量。如
果 R1=R2=R3=R4=R，那么 ε1=ε3=-ε4=-ε2=ε，則傳感器輸出△ U/U0 =Kε。
以上可以看出，應(yīng)變式傳感器的輸出靈敏度△ U/U0 是與輸入電壓無關(guān)的，只與彈性體的應(yīng)變有關(guān)，單位為ｍ V/V。
3、應(yīng)變式傳感器的組成
電阻應(yīng)變式傳感器主要由彈性體、應(yīng)變計、補償電路、電纜線、密封材料等幾部分組成，下面對這幾部分的功能加以簡單描述：
（1）彈性體：力的采集元件，是應(yīng)變式傳感器的基本構(gòu)成部件；
（2）應(yīng)變計：將力信號轉(zhuǎn)換為電阻值變化的敏感 元件，是構(gòu)成應(yīng)變式傳感器的心臟 元件；
（3）補償電路：用于對傳感器的零點，輸出靈敏度等基本參數(shù)進行修正，以滿足產(chǎn)品標準和用戶使用要求，是構(gòu)成傳感器的必要部分；
（4）電纜線：用于將應(yīng)變計采集的信號輸出的載體，是構(gòu)成傳感器的必須部分；
（5）密封材料：為保護傳感器的性能滿足設(shè)計要求，適應(yīng)外界環(huán)境的變化，刷涂，粘貼或封灌在傳感器 敏感柵上的一些材料，主要目的是防止外界的灰塵，潮氣和有害氣體侵蝕傳感器，對產(chǎn)品性能造成影響和破壞。
隨著技術(shù)的進步，使用稱重傳感器 制作的電子衡器已廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，實現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱量，特別是隨著微處理機的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)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。應(yīng)變式傳感器由于其制作工藝較為簡單，加工成本較為低廉，故被大批量生產(chǎn)，在我國工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制、自動計量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。北京電子天平網(wǎng)http://www.balance1.cn/
應(yīng)變式傳感器基本定義：電阻應(yīng)變式傳感器是一種用金屬彈性體將力轉(zhuǎn)換為電信號的功能元件。它通過粘貼在彈性體敏感表面的電阻應(yīng)變計及其以一定方式組成的電橋電路，在外加電源的激勵下，實現(xiàn)力—應(yīng)變—電阻—電信號變化四個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化 的一種力敏感傳感器 。由于電阻應(yīng)變式傳感器必須通過一定形態(tài)的機械構(gòu)件來實現(xiàn)力的傳遞，通過電阻應(yīng)變計來實現(xiàn)電信號的傳遞，從而達到力的測量，因此，電阻應(yīng)變式傳感器被人們稱為機電一體化器件。二十世紀三十年代，人們發(fā)明了應(yīng)變計，利用應(yīng)變計對材料進行應(yīng)力分析，來研究材料的力學(xué)特性。隨著研究的深入，人們反其道來分析，利用金屬材料的穩(wěn)定性，設(shè)計出了各種電阻應(yīng)變式傳感器，來進行各種物理量的測量。二十世紀五十年代，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)變計制造技術(shù)的進一步成熟，電阻應(yīng)變式傳感器開始得到廣泛地應(yīng)用，各種結(jié)構(gòu)、不同用途的電阻應(yīng)變式傳感器也相應(yīng)被設(shè)計出來。
2、基本分類
人們對電阻應(yīng)變式傳感器的命名各種各樣，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)變式傳感器可分為：平膜片式、平行梁式、柱式、橋式、懸臂梁式、雙梁式、輪幅式、壓力環(huán)式、板環(huán)式等。根據(jù)其用途可以分為：
2測力傳感器、稱重傳感器、壓力傳感器、引伸計、位移傳感器、扭矩傳感器、速度傳感器、高度傳感器、加速度傳感器等。
3、應(yīng)用范圍
電阻應(yīng)變式傳感器的檢測對象——力，不單指垂直方向的拉力或壓力它還可以是力空間六分量中任何一個單獨的分量（力或力矩）。只要對彈性體進行專門設(shè)計，它可對融合作用于一個構(gòu)件的六分量進行互不干擾的檢測，同時輸出六個與被測量有線性關(guān)系的電信號。適當改變彈性體的承載結(jié)構(gòu)，電阻應(yīng)變式傳感器同樣可檢測壓強（單位 kg/m2），其中包括氣體壓強、液體壓強、土層壓強等。電阻應(yīng)變式傳感器還可應(yīng)用于位移檢測、應(yīng)變檢測、形位檢測、密度檢測及液位檢測。因為這些幾何量和物理量都可以通過彈性體結(jié)構(gòu)上的變化，將其轉(zhuǎn)換為力學(xué)量。如今，電阻應(yīng)變式傳感器已廣泛地應(yīng)用于航空、航天、鋼鐵、石油、煤炭、交通、計量、機械制造等等領(lǐng)域。
傳感器基本原理
1、傳感器的電路原理
電阻應(yīng)變式傳感器是通過彈性體來實現(xiàn)力的傳遞，通過粘貼于彈性體上的應(yīng)變計阻值的變化來實
現(xiàn)力—電信號轉(zhuǎn)換，通過惠斯登電橋的放大作用將信號輸出。
圖 1 電阻應(yīng)變式傳感器的基本電路圖
2、傳感器的電路計算
圖 1 是典型的惠斯登電橋，其計算分析過程為：
U=U0 R3/（R2+R3）-U0R4/（R1+R4）
=U0［R3（R1+R4）-R4（R2+R3）］/（R1+R4）（R2+R3）
=U0（R1·R3-R2·R4）/（R1+R4）（R2+R3）
對其微分：
3
△ U/U0 =（△ R1/R1-△R2/R2+△R3/R3-△R4/R4）/4
根據(jù)應(yīng)變計原理：Kε= △ R/R
△ U/U0 =（Kε1-Kε2+Kε3-Kε4）/4=K（ε1+ε3-ε4-ε2）/4
在上式中：U 為傳感器輸出電壓；U0 傳感器輸入電壓，即供橋電壓；R1、R2、R3、R4 分別為各橋臂應(yīng)變計標稱電阻值；K 為電阻應(yīng)變計的靈敏系數(shù)；ε 即為粘貼應(yīng)變計處彈性體的應(yīng)變量。如
果 R1=R2=R3=R4=R，那么 ε1=ε3=-ε4=-ε2=ε，則傳感器輸出△ U/U0 =Kε。
以上可以看出，應(yīng)變式傳感器的輸出靈敏度△ U/U0 是與輸入電壓無關(guān)的，只與彈性體的應(yīng)變有關(guān)，單位為ｍ V/V。
3、應(yīng)變式傳感器的組成
電阻應(yīng)變式傳感器主要由彈性體、應(yīng)變計、補償電路、電纜線、密封材料等幾部分組成，下面對這幾部分的功能加以簡單描述：
（1）彈性體：力的采集元件，是應(yīng)變式傳感器的基本構(gòu)成部件；
（2）應(yīng)變計：將力信號轉(zhuǎn)換為電阻值變化的敏感 元件，是構(gòu)成應(yīng)變式傳感器的心臟 元件；
（3）補償電路：用于對傳感器的零點，輸出靈敏度等基本參數(shù)進行修正，以滿足產(chǎn)品標準和用戶使用要求，是構(gòu)成傳感器的必要部分；
（4）電纜線：用于將應(yīng)變計采集的信號輸出的載體，是構(gòu)成傳感器的必須部分；
（5）密封材料：為保護傳感器的性能滿足設(shè)計要求，適應(yīng)外界環(huán)境的變化，刷涂，粘貼或封灌在傳感器 敏感柵上的一些材料，主要目的是防止外界的灰塵，潮氣和有害氣體侵蝕傳感器，對產(chǎn)品性能造成影響和破壞。
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