平行梁传感器

称重传感器如何从结构上减小滞后误差

称重传感器的弹性元件在外载荷作用下产生变形时，应该是加载后立即变形，卸载后立即恢复，应力与应变同步进行，与时间无关。但实际上弹性元件在弹性变形时，加载线与卸载线并不重合，应变落后于应力，经过一段时间才能达到完全弹性变形或完全消除弹性变形，这种现象称为弹性滞后，弹性元件所用金属材料和结构形式是产生滞后的主要因素。通过合理的热处理工艺对金属材料的弹性滞后加以控制后，弹性元件的结构就成为产生滞后的重要因素。

对于圆柱结构的压式称重传感器，在加载后卸掉载荷时，由于底部接触面上的摩擦力，阻滞其环向变形的恢复而产生滞后。

对于双剪梁型称重传感器，弹性元件与底座接触面的滑动是产生滞后误差的重要原因。在加、卸载过程中，双剪梁弹性元件与底座滑动方向相反，因此作用在弹性元件上的摩擦力方向也相反，正是此摩擦力造成应变区剪应力变化。接触面摩擦系数大，随着载荷的增加滞后的值由小变大。盲孔中心到弹性元件端面的距离太小，底摩擦力对应变区的影响也较大。

为减少称重传感器的滞后误差，首先在结构设计上保证滞后较小，采用无摩擦设计。称重传感器的摩擦分为外部摩擦和内部摩擦两大类，外部摩擦是指弹性元件承载球面与压头，底面与压垫或基础之间的摩擦；内部摩擦是指弹性元件局部应力集中，造成晶格之间位错所产生的摩擦。这两种摩擦均使滞后和非线性误差显著增加，因此只要结构允许应尽量采用无摩擦设计。

（1）弹性元件的底面必须为平面时，应设计成刚度大，接触面积小的平面，且选用低摩擦系数的压垫或设计自由底座；

（2）称重传感器的上压头、下压垫应采用无摩擦设计，例如球面结构，使加载、承载面为点接触（实为接触圆）；

（3）称重传感器弹性元件的设计尽量选用整体式结构，使载荷的引入和传递无接触问题，如S型，整体剪切型弹性元件；

（4）采用柔性隔离方法，即用铰接方法把弹性元件和承载底座联接起来，利用铰接不传递力矩这一力学特性，将摩擦面与弹性元件隔离；

（5）合理的应力分布。应力水平过高，将引起弹性元件晶格之间相对位移，产生内部摩擦，因此应力水平应控制在弹性极限的1/3～1/4范围内。

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剪切梁称重传感器的数学模型和应变计定位误差分析

自从20世纪70年代初期，平行梁传感器，剪切原理的应变式称重传感器问世以来，以其完全克服传统正应力称重传感器的固有缺点，而形成了强大的发展潮流，每年都有多种结构类型的新产品面世。与传统的圆柱式、圆筒式、圆环式、弯曲梁式结构的正应力称重传感器相比，剪切梁式结构有如下特点：

（1）应变区无面积效应和泊松效应影响，受载时截面积基本不变化，固有线性好；

（2）剪力沿应变梁的长度方向为一常量，因此称重传感器输出对载荷作用点变化不敏感；

（3）应变梁为一受弯弹性元件，中性轴处的应力单元为纯剪切状态，拉、压成双的主应变相对值基本相等，电桥的非线性误差小；

（4）外形低，载荷作用下变形小，加之采用匹配的惠斯通全桥电路，抗偏心和侧向载荷能力强；

（5）承受拉伸和压缩载荷时，灵敏度一致性好，可用作“万用型”称重传感器；

（6）双端固支梁的载荷引入点和两个支撑点自成平衡力系，不需要强行维持力矩平衡，支撑设计大为简化；

（7）在应变梁两侧的载荷引入点和两个支撑点之间，对称加工出四个盲孔就形成了工字形截面剪切梁，其技术与应用性能更理想；

（8）采用钢球与球座接触引入载荷，轮辐式传感器，使得称重传感器只感受垂直方向的轴向载荷而不感受横向载荷和横向扭矩，保证了称量准确度。

剪切粱型弹性元件按照应变粱的截面形状分为方形、矩形截面梁型；方截工字粱型；圆截工字粱型；空心方形、矩形截面粱型和空心圆形截面梁型五种结构，通常其额定载荷为0.5～50t。

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（1）电桥电路不通

故障原因有引线、短接线、电缆线焊点虚焊、假焊；连接导线有断路；工作电阻应变计、补偿电阻应变计、补偿丝断路。

（2）加载后无输出信号或信号很小

组焊电桥电路时出现焊线错误，已不构成差动输出，使电阻应变计感受的应变量在电桥电路中互相抵消或信号很小；电阻应变计粘贴位置或方向错误，组成电桥电路后应变量互补，无法产生输出信号或产生很小的信号；桥臂工作电阻应变计、灵敏度温度补偿电阻、灵敏度标准化调整电阻折断或脱焊。

（3）指示仪表示值乱跳

为电桥电路故障，输出引线一根或二根断开，但桥路未断，输入端引入的干扰信号使指示仪表示值乱跳。一般多为引线折断或脱焊，输出电阻标准化调整电阻断栅或脱焊，电缆线折断等。

（4）电桥电路中的电阻应变计烧坏

在应用中此类故障较多，主要是在雷雨季节雷击造成的。而电路补偿与调整回路中的灵敏度温度补偿电阻及其它补偿电阻丝被烧坏，是由于供电电压不稳定激起较大的浪涌电压所致。

（5）绝缘破坏

绝缘破坏主要表现在称重传感器电桥电路与外壳绝缘不良或短路；电桥电路内部绝缘破坏。故障现象为数字显示仪表示值不稳定，称重传感器工作不稳定直至失效。

上述故障的判断，可用数字万用表电阻档检测各桥臂电阻和电桥对角线电阻，对照所用电阻应变计电阻值和各项补偿与调整电路，即可判断接线、断线、脱焊等故障。用低压高阻表检测电桥电路与外壳的绝缘电阻，判断绝缘是否下降或损坏。

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