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影響傳感器遲滯性的因素解析

發(fā)布日期： 2015-10-08

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傳感器遲滯性的定義：橫軸為載荷，縱軸為靈敏度輸出，在測試傳感器的特性時(shí)一般將額定載荷等分成五份，從0到100％逐級加載并讀取相應的輸出值，將五個(gè)讀數點(diǎn)連成光滑曲線(xiàn)，這條曲線(xiàn)如圖中粗實(shí)線(xiàn)，稱(chēng)之為加載曲線(xiàn)，也叫進(jìn)程曲線(xiàn)。利用直線(xiàn)插入法計算75％點(diǎn)的相應數據，以零點(diǎn)和75％點(diǎn)劃一條直線(xiàn)，圖中點(diǎn)線(xiàn)，這條直線(xiàn)稱(chēng)為理想直線(xiàn)，加載曲線(xiàn)與理想直線(xiàn)的誤差稱(chēng)之為非線(xiàn)性誤差。從100％到0分五等份逐級減載，并讀取相應數據，將這五組數據連成光滑曲線(xiàn)，如圖中粗虛線(xiàn)，稱(chēng)之為減載曲線(xiàn)，也叫回程曲線(xiàn)，減載曲線(xiàn)與加載曲線(xiàn)之間的誤差稱(chēng)之為遲滯性誤差。遲滯性誤差反映的是傳感器精度的主要指標之一，誤差的大小直接影響計量精度，所以在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴格控制影響遲滯性的各種因素。同時(shí)也要保證在安裝傳感器的不同條件下盡量避免影響遲滯性的因素存在。
以下詳細介紹影響遲滯性的部分因素。
影響傳感器遲滯性的因素分析
1、原材料彈性體：任何一種金屬材料，因為其內部的組織結構關(guān)系的復雜性，受到外力加壓后在微小晶粒之間產(chǎn)生微應變，在外力消失后，微應變隨之消失，但是是否*消失恢復到原始狀態(tài)，不同的材料則有*不一樣的表現。我們可以看到加載過(guò)程中的應變曲線(xiàn)ε1與卸載過(guò)程中的應變曲線(xiàn)ε2不重合，其差值△=ε2-ε1稱(chēng)之為遲滯性，差值的大小主要取決于材料本身成分的穩定性、均勻性、熱處理后的金相組織等。作為稱(chēng)重傳感器的關(guān)鍵元件——彈性體對此要求則更為明顯，可以通過(guò)不同的熱處理方式提高彈性極限，以減少遲滯性。目前國內市場(chǎng)上常用的材料為40CrNiMoA，該種材料經(jīng)過(guò)合理的熱處理能取得理想的綜合機械性能。應變計：金屬應變計的典型結構為敏感柵，基底，被覆層和引線(xiàn)組成。在傳感器的應用中，通過(guò)敏感柵的電阻應變效應，將彈性體的應變轉變?yōu)樽柚底兓?，根據材料本身存在的遲滯性來(lái)看，應變計本身也存在遲滯性。目前世界上的應變計廠(chǎng)在制造應變計時(shí)充分考慮了遲滯性的自補償，使其在傳感器的應用中的影響量減到zui小。所以在選擇應變計時(shí)要考慮到這種因素。
2、密封膠：在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中要使用大量的密封膠，主要作用為固定線(xiàn)路和密封。從表面上看，一般在膠固化后是比較軟的，相對彈性體的強度幾乎可以忽略不記。但是對小量程產(chǎn)品，必須要加以考慮。小量程的產(chǎn)品，變形區相對薄弱，密封膠厚度的影響程度明顯增加。稱(chēng)重傳感器在使用現場(chǎng)的安裝條件，根據與不同應用的客戶(hù)研究分析，發(fā)現下列情況影響傳感器或者說(shuō)是整機的遲滯性，如表面狀況、接觸面積、安裝扭力、螺栓強度、承載面硬度等均會(huì )影響。這些影響因素有時(shí)會(huì )被誤診為傳感器的品質(zhì)不良。表面狀況：是指秤臺與傳感器的接觸面的質(zhì)量，如粗糙度，平行度等。表面過(guò)于粗糙，在長(cháng)時(shí)間使用時(shí)會(huì )使緊固螺栓松動(dòng)并影響性能。如果平行度偏大，加載后會(huì )使傳感器產(chǎn)生不必要的分力，直接影響產(chǎn)品精度，同時(shí)也無(wú)法體現傳感器的真實(shí)精度。有的企業(yè)為了降低成本直接將一定厚度的鋼板裁成合適的尺寸焊接到秤臺上，不經(jīng)過(guò)任何加工處理，使用初期不會(huì )有問(wèn)題，隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)精度會(huì )越來(lái)越差。接觸面積：是指傳感器與秤臺固定的接觸面積。如圖4所示，（a）接觸面過(guò)小，（b）接觸面過(guò)大。不同公司的產(chǎn)品，由于結構和工藝的不同，接觸面的大小也是有些差別，所以在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中必須加以確定，并同時(shí)在傳感器的安裝使用說(shuō)明書(shū)中詳細定義，以保證客戶(hù)能按照*條件安裝使用?？梢詤⒖纪捞氐蟻喌?410產(chǎn)品，將安裝控制線(xiàn)標到傳感器上，在《衡器》雜志上曾經(jīng)介紹過(guò)橋式傳感器的安裝扭力與遲滯性的關(guān)系，在接觸面一定的條件下，安裝扭力越大，遲滯性越小。同樣的道理，如果將傳感器安裝在不同的設備上，安裝扭力的大小也直接影響產(chǎn)品的真實(shí)精度。傳感器按照不同受力結構分為單點(diǎn)式，懸臂梁式，橋式，“S”式，輪輻式，柱式等六大類(lèi)。安裝扭力的影響規律對不同結構的產(chǎn)品是不一樣的。例如懸臂梁傳感器，安裝扭力在100Nm時(shí)，能得到*的遲滯性。扭力過(guò)大或過(guò)小，遲滯性都會(huì )變差（不同公司的產(chǎn)品安裝扭力*值會(huì )不一樣，必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗才能確定）。輪輻式傳感器的遲滯性對安裝扭力更為敏感，所以在使用時(shí)一定要依照生產(chǎn)廠(chǎng)商的安裝使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行安裝，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。
3、螺栓強度：螺栓的強度影響與安裝扭力是一樣的，如果強度不足，在產(chǎn)品安裝使用一段時(shí)間之后，鎖緊力則會(huì )變松，進(jìn)而影響精度。安裝面硬度：以懸臂梁傳感器來(lái)說(shuō)明，因其固定端的接觸面較小，如果硬度過(guò)低，則在使用過(guò)程中隨使用次數的增加，受力支點(diǎn)則會(huì )移動(dòng)，受力支點(diǎn)從a點(diǎn)移到b點(diǎn)，則精度會(huì )有不同程度的變化。面所講述的影響因素直接與傳感器接觸，容易理解，還有一些其他因素看起來(lái)與傳感器關(guān)系不大，但卻影響傳感器的精度。比如秤臺強度，基礎堅固性，防塵防水等因素。秤臺強度的影響：以平臺秤為例，一般采用懸臂梁稱(chēng)重傳感器4只，安裝在四個(gè)角上，為平臺秤的側視簡(jiǎn)圖及受力模型，如果秤臺的強度不足，可以導致秤臺中心凹陷，這種結果會(huì )導致傳感器受側向力的影響。而且側向力的大小隨被測物的重量增加而增加，但其增加的幅度卻是非線(xiàn)性關(guān)系，以圖6（c）為模型簡(jiǎn)化受力，可以用下列公式估算出傳感器的受力與載荷的關(guān)系：如果汽車(chē)衡臺面的強度不足不但影響產(chǎn)品的精度同時(shí)也影響標定。
4、基礎的影響：這里面的基礎是指汽車(chē)衡或軌道衡的傳感器的安裝基礎，如一臺載荷為八十噸的汽車(chē)衡，一般使用6只或8只稱(chēng)重傳感器。傳感器通過(guò)底座與基礎的預埋件固定。單只傳感器的接觸面積約有250cm2，單位面積的壓力達到0.40——0.58kN/cm2。如果基礎不牢固，使用一段時(shí)間后，基礎產(chǎn)生變化后，傳感器的特性則無(wú)法*真實(shí)表現出來(lái)。與初裝標定時(shí)的條件會(huì )有較大的變化?；覊m和水的影響：這兩種因素在保養條件比較好的條件下不會(huì )產(chǎn)生影響，但是在室外使用的衡器，如汽車(chē)衡，軌道衡等要特別注意。我們以水泥廠(chǎng)或礦山廠(chǎng)的汽車(chē)衡為例說(shuō)明其影響：水泥廠(chǎng)的環(huán)境一般很惡劣，過(guò)往全是重型汽車(chē)，隨車(chē)帶起來(lái)的灰塵大部分屬于水泥成分，長(cháng)時(shí)間會(huì )沉積在裸露的傳感器表面及配件間隙內，經(jīng)過(guò)雨季或處在周?chē)h(huán)境潮濕的現場(chǎng)，傳感器表面或配件間隙的灰塵會(huì )硬化，使原本活動(dòng)的配件變成固定式的，如果配件在傳感器的變形敏感區域，則傳感器的線(xiàn)性和遲滯性明顯變差。另一方面單從水或潮氣講，主要是腐蝕傳感器表面，使接觸點(diǎn)產(chǎn)生變化，特別是含有配件的產(chǎn)品，生銹后會(huì )使配件與傳感器“銹死”在一起，而影響精度。
曾經(jīng)遇到過(guò)一個(gè)特殊案件：客戶(hù)在夏天6月左右安裝一臺80t的汽車(chē)衡，使用6只30t的橋式傳感器，現場(chǎng)在北方。由于在安裝過(guò)程中，現場(chǎng)人員將傳感器中間部位的密封條刮破，并沒(méi)有作相應的改善，標定后交付使用。到11月份，用戶(hù)反映汽車(chē)衡數據不準，早晨測試的數據明顯低于中午測量的數據8——10t，開(kāi)始懷疑傳感器的溫度補償出現問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次確認分析沒(méi)有找到問(wèn)題所在。根據問(wèn)題出現在早上的條件，建議用戶(hù)用熱風(fēng)機給傳感器加熱，半小時(shí)后再次確認問(wèn)題消失。后來(lái)發(fā)現密封條刮破的那只傳感器的變形間隙里面全是水，早晨是固態(tài)的冰，中午是水，也就是說(shuō)在早晨，變形間隙內固態(tài)的冰阻止了傳感器受力后變形，而這只傳感器的輸出很小，影響輸出結果。針對灰塵的影響，有經(jīng)驗的廠(chǎng)商會(huì )采用適當的防護措施，如增加密封罩，表面涂適量的黃油等保護。上述的影響因素，或多或少都會(huì )影響使用精度，在建造基礎和安裝過(guò)程中盡量避免，以保證長(cháng)期使用的穩定性能。

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