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测量出较小的分度传感器的准确度

2020-09-16 15:29:47 西黎(上海)机电设备有限公司 657

   称重测力传感器是一种能够将重力转变为电信号的力--电转换装置,是电子衡器的一个关键部件。

       能够实现力--电转换的传感器有多种,常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。电磁力式主要用于电子天平,电容式用于部分电子吊秤,而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。电阻应变式称重传感器结构较简单,准确度高,适用面广,且能够在相对比较差的环境下使用。因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。

    电阻应变式称重传感器主要是由弹性体、电阻应变片和补偿电路组成。弹性体是称重传感器的受力元件,由优质合金钢或优质铝型材制成。电阻应变片是由金属箔材腐蚀成栅格形制成,四个电阻应变片以电桥的结构方式粘在弹性体上。在没有受力的情况下,电桥的四只电阻的阻值是相等的,电桥处于平衡状态,输出为零。在弹性体受力发生变形时,电阻应变片也跟着一道变形。在弹性体受力弯曲的过程中,有两个应变片受拉,金属丝变长,电阻值增加;另两片受压,电阻值减小。这样就导致原来平衡的电桥失衡,在电桥的两端产生了电压差,这个电压差与弹性体受力的大小成正比,检测这个电压差,就可以得到传感器所受重力的大小,这个电压信号经过仪表检测后然计算后,就可以得到相应的重量值。

    为了适用各种衡器结构的安装需要,称重传感器做成了各种各样的结构形式,传感器的名称往往也按照其外形称呼。如桥式传感器(主要用于汽车衡)、悬臂梁式(地上衡、料斗秤、汽车衡)、柱式(汽车衡、料斗秤)、箱式(台秤)、S型(料斗秤)等。一种衡器承载体往往有多种结构形式的传感器可供选择,如果传感器选择得当,对于衡器性能的提高是很有帮助的。

       电阻应变式称重传感器的规格很多,小到几百克大到几百吨。在选择称重传感器量程的时候,要根据所用衡器的秤量来确定,其经验公式为:

       传感器总载荷(单个传感器的允许载荷X传感器个数)=1/2~2/3衡器的秤量。

称重传感器准确度等级分为A,B,C,D四个级别。不同级别有不同的误差范围。A级传感器的要求。等级后面的数字表示检定分度值,数字越大,传感器质量越好。例如:C2表示C级,2000个检定分度值;C5表示C级,5000个检定分度值。显然C5要高于C2。传感器常用的级别为C3,C5级,这两种级别的传感器可用于制作准确度等级为III级的电子衡器。

称重传感器的误差主要是由非线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差等引起的。

近年出现的数字传感器,把A/D转换电路和CPU电路放到了传感器里面,传感器输出的就不再是模拟电压信号,而是经过处理的重量数字信号,这样做带来了以下几个优点:

        1.仪表可以分别采集每个数字传感器的信号,并通过线性方程式运算,对每一个传感器进行单独标定,这就使得一次性完成四角误差修正成为可能。而使用模拟式传感器的衡器中头疼的问题就是四角误差修正,往往要反复多次地调校才能达到要求,而每一次调校都是要将沉重的砝码搬来搬去,既费时又费力。

        2.由于仪表可以检测到每一个传感器的信号,所以任何一个传感器出现问题都可以从仪表上观察到,方便检修和维护工作。

        3.数字传感器用485接口传送数字信号,传输距离远,且可以免受干扰。克服了模拟信号远传困难和易受到干扰的问题。

        4.数字传感器内部可以通过微处理器对传感器的各项误差进行修正,使得输出的传感器数据更加准确。

称重传感器被喻为电子衡器的神经系统,它的性能在很大程度上决定了电子衡器的准确度和稳定性。在设计电子衡器时,经常要遇到如何选用传感器的问题。

        称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器茵先要考虑传感器所处的实际工作环境,这点对正确选用传感器至关重要,它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命,乃至整个衡器的可靠性和安全性。

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        环境给传感器造成的影响主要有以下几个方面:

       (1)高温环境对传感器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题。对于高温环境下工作的传感器常采用耐高温传感器;另外,必须加有隔热、水冷或气冷等装置。

       (2)粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的传感器。不同的传感器其密封的方式是不同的,其密闭性存在着很大差异。

       常见的密封有密封胶充填或涂覆;橡胶垫机械紧固密封;焊接(氩弧焊、等离子束焊)和抽真空充氮密封。

从密封效果来看,焊接密封为,充填涂覆密封胶为量差。对于室内干净、干燥环境下工作的传感器,可选择涂胶密封的传感器,而对于一些在潮湿、粉尘性较高的环境下工作的传感器,应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。

       (3)在腐蚀性较高的环境下,如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响,应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩,抗腐蚀性能好且密闭性好的传感器。

       (4)电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。在此情况下,应对传感器的屏蔽性进行严格检查,看其是否具有良好的抗电磁能力。

       (5)易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害,而且还给其它设备和人身安全造成很大的威胁。因此,在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆性能提出了更高的要求:在易燃、易爆环境下必须选用防爆传感器,这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密闭性,还要考虑到防爆强度,以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性等。

其次对传感器数量和量程的选择。

       传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数(支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定)而定。一般来说,秤体有几个支撑点就选用几只传感器,但是对于一些特殊的秤体如电子吊钩秤就只能采用一个传感器,一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。

       传感器量程的选择可依据秤的称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的偏载及动载等因素综合评价来确定。一般来说,传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷,其称量的准确度就越高。但在实际使用时,由于加在传感器上的载荷除被称物体外,还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷,因此选用传感器量程时,要考虑诸多方面的因素,保证传感器的安全和寿命。

       传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后,经过大量的实验而确定的。

       根据经验,一般应使称重传感器工作在其30%~70%量程内,但对于一些在使用过程中存在较大冲击力的衡器,如动态轨道衡、动态汽车衡、钢材秤等,在选用传感器时,一般要扩大其量程,使传感器工作在其量程的20%~30%之内,使传感器的称量储备量增大,以保证称重传感器的使用安全和寿命。

       再次,要考虑各种类型传感器的适用范围。

       传感器型式的选择主要取决于称量的类型和安装空间,保证安装合适,称量安全可靠;另一方面,要考虑厂家的建议。厂家一般会根据传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构型式、弹性体的材质等特点规定传感器的适用范围,譬如铝式悬臂梁传感器适用于计价秤、平台秤、案秤等;钢式悬臂梁传感器适用于料斗秤、电子皮带秤、分选秤等;钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡、天车秤等;柱式传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。

       还要对传感器准确度等级进行选择。

       传感器的准确度等级包括传感器的非线形、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。在选用传感器的时候,不要单纯追求高等级的传感器,而既要考虑满足电子秤的准确度要求,又要考虑其成本。

       对传感器等级的选择必须满足下列两个条件:

       1.满足仪表输入的要求。称重显示仪表是对称重传感器的输出信号经过放大、A/D转换等处理之后显示称量结果的。因此,称重传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入情号大小,即将称重传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式,计算结须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。

称重传感器和仪表的匹配公式:

       称重传感器输出灵敏度*激励电源电压*秤的称量

       秤的分度数*传感器的个数*传感器量程

       例如:一称量为25kg的定量包装秤,分度数为1000个分度;秤体采用3只L—BE—25型传感器,量程为25kg,灵敏度为2.0±0.008mV/V,拱桥电压力12V;秤采用AD4325仪表。问采用的传感器能否与仪表匹配。

解:经查阅,AD4325仪表的输入灵敏度为0.6μV/d,因此根据称重传感器和仪表的匹配公式可得仪表的实际输入信号为:2×12×25/1000×3×25=8μV/d>0.6μv/d

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        所以,采用的称重传感器满足仪表输入灵敏度的要求,能够与所选仪表匹配。

        2.满足整台电子秤准确度的要求。一台电子秤主要是由秤体、传感器、仪表三部分组成,在对称重传感器准确度选择的时候,应使称重传感器的准确度略高于理论计算值,因为理论往往受到客观条件的限制,如秤体的强度差一点,仪表的性能不是很好、秤的工作环境比较恶劣等因素都直接影响到秤的准确度要求,因此要从各方面提高要求,又要考虑经济效益,确保达到目的。

试验机选型指南

      有很多试验机采购人员在试验机的选型在技术上存在的误区,现对存在的问题进行整理,希望能给用户的选型带来帮助!

一是量程选择

       根据试验材料的大载荷选择所需要的试验机载荷(即量程),推荐材料试验载荷在试验机量程的70%——90%左右为佳,这样既保证了试验的分辨率也可以延长试验机的使用寿命;

二是精度等级选择

       目前国内试验机的精度普遍使用1级和0.5级两种,对于一般的材料试验选择1级的试验机完全足够,没有必要多花钱提高精度,对于科学研究和材料分析就需要0.5级精度的试验机;其实对于0.5级和1级精度的试验机在技术上差别并不明显,校验的方法和手段基本是一样的,这是修正点的不一样上,随着传感器技术的发展,传感器元件的线性度已经达到一个很高的水准,只要测量电路没有缺陷,抗干扰性能好的话,所有的试验机都会达到0.5级的精度是没有问题的,对于电测已经远远超出了0.5级的限定,国家标准定义的相对误差有待商榷。  

三是分辨率和动态性能(带宽)选择

       分辨率是试验机的一个重要参数,合适的分辨率将有利于测量的解析度,测量出较小的分度,有效分辨率和动态性能是一对矛盾,一味的提高有效分辨率是以牺牲动态性能(带宽)为代价的,带宽的降低直接导致的结果是材料屈服波动不明显甚至出现屈服就是一个平台的现象,所以在选型是也要对这对参数进行有效的考虑;

第四是同步性能选择

      材料试验采集的数据是在同一时刻的材料的载荷和变形,如果二者不同步就会出现载荷朝前于变形或者变形朝前于载荷的显现,对于在进回程测量弹性材料时出现同一个载荷对应两个变形的问题,进回程曲线不重合的现象。

 

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