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振動對皮帶秤用稱重傳感器性能的影響
【摘 要】 皮帶秤是物料輸送過程中，普遍使用的計量設備，其稱量方式為連續、動態稱量。被
稱物料的重量值，在稱量值附近做上下波動，形成連續的脈動循環。稱重傳感器受力和其他靜態衡
器不同，是承受脈動循環應力，受力時間相對較長。本文試圖分析皮帶秤用稱重傳感器在連續、脈
動、循環受力的情況下，對稱重傳感器性能的影響。
一、概述
電子皮帶秤由于其結構簡單，直接安裝在皮帶輸送機上，與皮帶輸送機有著較好的安裝、匹配
關系，構件少、成本低，在物料輸送過程中完成稱重計量任務，所以，獲得了廣泛的應用。在港口、
煤礦、礦山等領域，到處可以見到電子皮帶秤。其稱量原理為：利用安裝在皮帶輸送機上的稱重傳
感器和測速傳感器輸出的電信號，稱重、計算單位時間里流過皮帶秤的物料重量，與物料通過的時
間相乘積，即得到被輸送物料的重量。雖然流過電子皮帶秤的物料，在秤的前方通過檔煤器等裝置
控制物料（如煤層）的高度，進行了物料流量平衡，但是由于通過電子秤的物料高低不同、比重不
同，其重量值還是在其稱量值附近波動，呈現出脈動、連續的稱量。所以，稱重傳感器的受力，基
本上是在稱量值附近上下波動，稱重傳感器受到來自傳力架的交變載荷的重量，這對于稱重傳感器
的金屬彈性體來講，處于疲勞工作狀態。所以，研究振動對皮帶秤用稱重傳感器的影響，尤其是長
期穩定性的影響，有著重要的現實意義。
二、皮帶秤用稱重傳感器及受力范圍
皮帶秤以秤架結構形式進行分類，有單托輥式，多托輥式和懸浮式皮帶秤。一般的都是使用懸
臂梁式稱重傳感器或S型稱重傳感器。如圖1和圖2所示。
懸臂梁式稱重傳感器受力端與秤架之間可以通過連桿——上、下球頭座用球面連接，這樣傳力
精度高，可以有自動調心的功能；也可以直接用螺紋連接，需要調整好連接桿的長度和末端的連接
結構；S型傳感器與秤架之間一般用關節軸承連接，也具有自動調心功能，可以消除側向力，并且
潤滑情況要優越，旋轉靈活。
在稱重傳感器量程選擇上，是根據皮帶秤最大流量這個技術指標來選擇實際量程。由于皮帶張
力和皮帶自重的影響，稱重傳感器會受到一個初始載荷。一般的，初始載荷在稱重傳感器量程的20%
圖1 懸臂梁傳感器及球面聯接件
圖2 S型傳感器及關節軸承聯軸器
左右，實際使用的量程在60%左右，留出量程的20%作為安全載荷，考慮振動、過載等的影響。也
有按照30∶40∶30（初始載荷：使用載荷：預留量程）的比例來確定設計稱重傳感器的受力情況的。
即：稱重傳感器使用量程一般在稱重傳感器滿量程的70%～80%左右。
傳感器的滿量程信號輸出計算公式如下：
RbSKRinε=
公式中的符號：S—靈敏度，一般為 2 mV/V；
K—應變計靈敏系數，一般K＝2.1；
Rb—稱重傳感器輸出電阻；
Rin—稱重傳感器輸入電阻。
靈敏度與稱重傳感器的受到的應變量成正比。設計中，取滿量程時稱重傳感器對應的應變量為
1200με，則稱重傳感器的靈敏度輸出為2mv/V，70%～80%的應變量為：840～960με；初始零點
附近的20％的應變量，其變形量為240με。對于物料輸送量變化較大的皮帶秤，稱重傳感器的受
力在240～960με之間變化，一般皮帶輸送機會在最大輸送能力的狀態下運行，稱重傳感器的受力
在70%～80%之間變化。
三、稱重傳感器受到的振動
皮帶輸送機在運行中，由于物料的濕度、黏度等問題，會造成皮帶粘附物料、托輥粘附上物料
使托輥直徑不均、被輸送物料由于水分不同等影響造成重量不均勻等，會使皮帶機產生機械振動。
另外，在皮帶機的開機運行（和關機運行）的過程中，皮帶輸送機整機的運行頻率會由小變大（或
由大變小），在頻率變化的過程中，皮帶輸送機在某一頻率點上會發生共振，使皮帶產生較大的振
幅，也會影響到傳感器的性能和長期穩定性。所以，稱重架附近的皮帶機支撐架，應進行良好的固
定，增加其強度、剛度，提高抗沖擊能力。
一般皮帶上粘附了物料和物料不均勻造成的振動，由于其粘附的長度不固定，輸送的物料厚度
不固定，所以屬于一種不規則的振動；而托輥上粘附了物料造成的振動，屬于一種周期性的振動。
我們以后一種情況分析如下：
皮帶秤的速度，由0.8～2.5m/s，0.8～3.15m/s，1.0～5.0m/s等幾種設計；對應的物體流量為40～
500t/h，100～1000t/h，800～6000t/h；設托輥的直徑為108mm，其線速度計算公式為：
v＝2πrn m/s
式中n為圈數/s。計算上述速度下，對應的托輥轉數。
表1 皮帶秤線速度與旋轉圈數的關系
序號
速度m/s（秒）
圈數/s（秒）
圈數/h（小時）
1
0.8～2.5
2.36～7.37
8496～26532
2
0.8～3.15
2.36～9.29
8496～33444
3
1.0～5.0
2.95～14.74
10620～53064
若把上述數據當作是由于托輥粘附了物料使直徑不均勻而產生了振動，設托輥粘附的物料面積
較小，則可以簡單地認為是每轉動一圈振動一次。這個振動，通過秤架、連桿，直接傳遞到稱重傳
感器上。
根據現有設計手冊查到的數據顯示，總結現有的試驗數據，可以把加載頻率分為如下三種范圍：
（1）正常頻率 （5～300Hz）；
（2）低頻 （0.1～0.5Hz）；
（3）高頻 （300～10000Hz）；
所以，皮帶機托輥粘附物料使托輥直徑不均勻造成的振動，屬于正常頻率振動范圍，但接近于
低頻振動。
四、振動對稱重傳感器性能的影響
將鋼、鋁及其它高熔點的金屬試樣在不同的頻率下進行試驗，其結果說明，室溫下的加載頻率
在相當大范圍內變化時，對疲勞極限沒有明顯影響。
美國材料與試驗學會（ASTM）根據他們的試驗結果得出，至少在200～7000c/min的范圍內，
頻率變化對疲勞強度不產生任何影響。他們發現，高頻試驗時試樣發熱，試樣愈大發熱越大、愈甚。
但這種發熱只是在足以引起材料發生蠕變時才起有害作用。
可以認為，在大氣條件下，當試驗溫度小于50℃時，頻率在正常頻率范圍內變化對于大多數金
屬（除了易熔合金及其它熔點低的金屬）的疲勞極限沒有影響。而低頻使疲勞極限降低，高頻使疲
勞極限升高。因為低頻振動條件下，容易造成疲勞裂紋擴展。
1、振動對稱重傳感器工藝布線的影響
由上述理論可知，低頻振動，對易溶合金的疲勞極限是有影響的。在稱重傳感器上，主要就是
對焊錫點的影響，應防止由于振動疲勞而發生開裂、脫焊。為了消除這種影響，在稱重傳感器的工
藝布線及焊接中，就要認真進行考慮。在應變計制做過程中所焊接的應變計引線，一般是直徑0.12～
0.15mm的鍍銀銅線。由于焊接工經過了培訓上崗，并且是在顯微鏡下進行的專門焊接，焊點質量
要求較高，質量較好，可以耐得住振動影響。當粘貼到稱重傳感器上之后，加壓固化如果壓力過高，
會使焊點的熔點溫度下降，接近應變膠的固化要求溫度，發生焊點脫焊，造成焊點質量下降；在應
變計組橋過程中，如果焊接工技術不熟練，靠近應變計的第一個配線點焊接時間過長，通過引線傳
遞到應變計上的焊點的熱量過多，也會造成應變計上的焊點脫焊或者焊錫弱化，影響質量；有些稱
重傳感器制造廠，喜歡在貼片后，將應變計的引線焊接去掉，直接用配線材和應變計連接，這樣一
是會省材料，二也因為減少了焊點，可提高效率，但是，應變計是處于應變區范圍內，焊錫是低熔
點合金，配線材的直徑較應變計引線為粗，所以，一定要有良好的焊接技術，才可以進行這樣的工
藝焊接方法。所以，皮帶秤用稱重稱重傳感器從工藝布線上，就要考慮振動對稱重傳感器性能的影
響。
2、振動對稱重傳感器性能的影響
超載靜壓、脈動疲勞，是消除稱重傳感器內應力的有效方法。以脈動疲勞的方法效果更佳。所
以，皮帶秤的連續運行所產生的機械振動，無形中消除了稱重傳感器的初始內應力，使稱重傳感器
渡過初始不平衡期，而進入到穩定工作期。稱重傳感器的耐久性，在GB/T 7551-87《電阻應變稱重
傳感器》中，有加速壽命試驗與此相近。規定在稱重傳感器上施加30%~80%的額定載荷，每1min
加載5～200次，用100000次循環的脈動載荷進行疲勞試驗，頻率相當于：0.08～3.33Hz。此時要
求稱重傳感器的零點、靈敏度不能超差。標準規定，對0.02級的稱重傳感器，靈敏度不穩定的衡量
是：在6個月中，變化量小于0.04%。濟南金鐘電子衡器股份有限公司早在90年代末期，曾經委
托山東工業大學做過合金鋼傳感器的疲勞試驗，當時也是考慮用在配料皮帶秤上。考慮到皮帶秤運
行速度、振動頻率的特殊性，將頻率定位5Hz�，F將試驗情況列表如下：
表2 稱重傳感器疲勞試驗
序號
性能指標
試驗前
50萬次試驗后
100萬次試驗后
150萬次試驗后
單位
1
非線性
-0.016
-0.017
-0.018
-0.017
%F.S
2
靈敏度
2.000987
2.001413
2.001477
2.001523
mV/V
3
蠕變
0.011
0.007
0.007
0.010
%F.S/20min
4
滯后
0.021
0.026
0.024
0.026
%F.S
5
重復性
0.002
0.005
0.001
0.005
%F.S
6
蠕變恢復
-0.007
-0.006
-0.008
-0.008
%F.S/20min
7
輸入電阻
437.92
438.56
437.80
437.66
Ω
8
輸出電阻
352.68
352.33
352.30
352.66
Ω
9
零點
0.038
0.043
0.045
0.048
mV
試驗條件如下：
稱重傳感器：S型，2t；靈敏度：2mV/V；材質：40CrNiMoA合金鋼。
設備：Instron8502型電液伺服疲勞試驗機施加載荷循環，動態載荷精度不低于0.005%，循環
載荷最大值：Pmax＝1.6t，循環載荷最小值：Pmin＝0t；載荷量80%（也可以根據應變量來設定最
大變形量），循環頻率f＝5Hz；15V直流穩壓電源；FLUK8505A數字電壓表。前50萬次每一萬次
循環記錄一次零點示值，后100萬次，每50萬次記錄一次零點示值。
由上表可以看出，靈敏度的變化在0.00027（萬分之二點七）左右。其余性能變化不大。蠕變
變小的原因是因為稱重傳感器受到長時間的脈動疲勞，消除了應力影響，材料的強度提高的結果。
3、結論
通過表1和表2可知，當皮帶秤受到150萬次的循環疲勞時，其對應的皮帶秤工作時間：帶速
0.8～2.5m/s的為176～57小時；帶速0.8～3.15m/s的為176～45小時；帶速1～5m/s的為141～28
小時，所以從靈敏度降低這一方面考慮，皮帶秤在工作一段時間后，應該進行量程校正。隨著工作
時間的延長，稱重傳感器的穩定性會增強，校正時間間隔可以增加。
五、結束語
本文只是分析了皮帶輸送機運行過程中，由于托輥受潮、粘附污物、灰塵而造成托輥直徑不均，
在皮帶機運行過程中產生振動對稱重傳感器性能的影響。并用試驗數據證明：皮帶秤長期工作時，
稱重傳感器的性能變化不大，而稱重傳感器的靈敏度會發生變化，變化量在0.027％左右。所以皮
帶秤使用一段時間后，應進行校準。皮帶秤的長期穩定性問題，受到多種因素的影響，稱重傳感器
是其中之一。需要關心此事的同仁們共同努力，才能夠在技術上有所突破。
