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稱重傳感器原理及常見故障解決方法
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)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(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)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(guò)程自動(dòng)化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過(guò)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(jiǎn)單，加工成本較為低廉，故被企業(yè)大批量生產(chǎn)，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)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(cè)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(jiǎn)稱應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)，是由敏感柵等構(gòu)成用于測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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。
ΔR/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(cè)點(diǎn)處應(yīng)變，為無(wú)量綱的量，但習(xí)慣上仍給以單位微應(yīng)變，常
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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?chǔ)排c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(lái)測(cè)量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。
我們來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng)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(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(zhǎng)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(dǎo)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(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)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
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(shuō)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(zhǎng)率（長(zhǎng)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(wú)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(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，很不方便常常把它的百萬(wàn)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(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(chǎng)（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，但是是否能夠完全恢復(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(lái)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(guò)選擇合適的金屬材料，采用先進(jìn)的熱處理方式提高彈性極限，來(lái)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)
（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)減至最小；
（5）若結(jié)構(gòu)條件允許，盡量采取過(guò)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(cè)量電路）測(cè)量電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?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(wèn)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。
圖1 電阻應(yīng)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(jì)RL作用，可以理解為阻值無(wú)窮大。
0v==−vvDB−+viRRR212viRRR433+
=()()viRRRRRRRRRRRR432132314232++⋅−⋅−⋅+⋅ （8）
若我們認(rèn)為Vo=0時(shí)，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(shuō)，只要電橋二對(duì)邊阻值的乘積相等，那么，電橋就平衡了，它的輸出等于零。
()()22220444iiRRRR RRRRRvv+Δ−−ΔΔ⋅Δ== （9）
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這就是全惠斯頓電橋輸出和輸入（激勵(lì)電壓）的關(guān)系。Vo和△R是線性關(guān)系。
3 稱重傳感器的故障排除實(shí)例
現(xiàn)在我們來(lái)探討一下稱重傳感器在使用中出現(xiàn)的故障問(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)分析，可以按因果關(guān)系來(lái)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(lái)看，其本質(zhì)是輸出故障。對(duì)此，我們要采用關(guān)聯(lián)法來(lái)分析，即采用傳感器自身的信號(hào)輸出流程來(lái)分析。
為了解決問(wèn)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(lái)處理變換的。
按照關(guān)聯(lián)法來(lái)看，輸出故障有可能在最終輸出前的每個(gè)模塊中出現(xiàn)。其中在從模塊②到模塊③過(guò)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(cè)量傳感器的重復(fù)性、非線性和滯后性等性能指標(biāo)來(lái)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(cè)量輸出輸入電阻值的方法來(lái)判斷。在檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將傳感器同接線盒和其它測(cè)試設(shè)備斷開，依次測(cè)量傳感器的輸入端頭和輸出端阻抗值，對(duì)比測(cè)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(méi)有電壓或者電流出現(xiàn)，在此可以采取測(cè)量電纜端是否有輸出信號(hào)來(lái)判斷。
利用這4個(gè)解決問(wèn)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(wú)重量顯示
（1）先檢查模塊④功能是否正常，測(cè)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。
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（4）模塊②出現(xiàn)問(wèn)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(wèn)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(wèn)題，彈性體變形有問(wèn)題，可能彈性體被摔、碰撞、造成局部斷裂，或者彈性體疲勞過(guò)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(wèn)題，由于某種原因造成供橋電壓升高或者電阻應(yīng)變片過(guò)熱，使應(yīng)變片粘膠損壞，阻值改變。
（3）模塊④出現(xiàn)問(wèn)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(wèn)題，彈性體本身變化不穩(wěn)定。
（2）模塊③出現(xiàn)問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)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，找出最有可能出現(xiàn)問(wèn)題的模塊，這樣就能快速而準(zhǔn)確的排除故障。
4 結(jié)束語(yǔ)
總之，以稱重傳感器為核心的電子衡器在實(shí)際的使用過(guò)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)。最好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(cè)試，相信故障就會(huì)很快排除。
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