電阻應變式稱重傳感器原理及故障分析

【摘 要】稱重傳感器是電子衡器的核心部件，隨著稱重傳感器技術不斷發展和應用領域不斷擴大，傳感器的質量和應用技術越來越為使用者所關注。文章通過對傳感器基本原理的介紹，結合實際工作中的實例，總結了傳感器故障檢測的幾種常用方法，以便快速準確地查找原因，保證電子衡器的穩定運行。

【關鍵詞】稱重傳感器 檢測電路 輸入阻抗

電阻應變式稱重傳感器為稱重系統的核心部件之一，它直接決定了稱重結果的準確度與穩定性。將4個電阻應變片粘貼在彈性體上組成稱重傳感器的惠斯登電橋，當不承受載荷時，彈性敏感元件不產生應變，應變片的電阻不變，電橋平衡.輸出電壓為零；反之，應變片電阻改變，電橋失去平衡，傳感器輸出與被測載荷重量成比例的電壓信號。在實際使用中，由于受到原材料及制造工藝、安裝方法、使用條件及外部環境的影響，很容易發生故障，影響電子衡器計量數據的準確及穩定的運行。因此，了解稱重傳感器的基本原理及故障原因，熟練掌握故障的分析判斷技術，是快速準確地處理電子衡器的故障，保證其準確、穩定運行的關鍵。

1 基本原理

1.1 組成

電阻應變式傳感器主要由電阻應變片、彈性元件、測量電路和傳輸電纜4部分組成。

1.2 傳感器電阻應變片

電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。它的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。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） （1）

當他的兩端受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（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 （2）

用式（1）去除式（2）得到：

ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S （3）

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 （4）

從材料力學我們知道：

Δr/r=-μΔL/L （5）

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（4）（5）代入（1-3），有：ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L=（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L=K*ΔL/L （6）

其中：K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （7）

式（6）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。

需要說明的是：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。

2 稱重傳感器彈性體的原理

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片電信號的轉換任務。

設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。肓孔底部中心是承受純剪應力，但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式，而不再推導。

ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3） （8）

其中：Q--截面上的剪力；E--揚氏模量：μ-泊松系數；B、b、H、h-為梁的幾何尺寸。需要說明的是，上面分析的應力狀態均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態。

3 檢測電路原理

檢測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。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。稱重傳感器的彈性體在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應變片也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小）。再經相應的檢測電路，把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流）輸出，從而完成將外力變換為電信號的過程。

4 實例分析

（1）我廠倒灌站受鐵車上有一套稱重系統，由4只稱重傳感器和一塊顯示儀表組成，用于測量鐵水包的重量，投入使用后重量數據采集的一直很好，但是經過半年后發現，鋼包加滿鐵水后經過一段時間穩定下來的重量值逐漸增加，鋼包吊走后儀表不歸零，數值逐漸降低。檢查傳感器的輸入、輸出電阻，傳感器對地性、傳感器橋壓值、信號輸出與正常時差異不大。后采用逐個排除的方法發現有一個傳感器產生了溫度漂移。更換新傳感器后，問題得到解決。（2）我廠汽車衡在使用過程中出現儀表采集數據不穩，零點跳變，稱量重物時變化大。使用萬用表對各傳感器進行測量，輸入輸出阻值正常，傳感器的輸出信號也相差不大，但是在測量傳感器的絕緣性能時發現一只傳感器對地阻值為100歐姆。經檢查發現該傳感器由于雨季造成傳感器長時間浸泡在雨水中，造成傳感器絕緣性下降，影響稱量精度。

5 結語

為了保證電子衡器的計量準確度及計量穩定性，必須保證稱重傳感器的質量。作為用戶來說，首先要根據使用要求及使用條件，選擇相應規格高精度、高質量的稱重傳感器，更要重視它的安裝要求，熟悉傳感器的特性參數。掌握稱重傳感器的故障判斷方法，在日常維護工作中，以便能夠快速、準確地判斷出故障傳感器，并及時處理，使電子衡器長期工作在最佳狀態。

作者簡介：武世卿（1978—），男，河北衡水人，本科，工程師，研究方向：自動化儀表的技術管理。