测力传感器类型及维护保养-丙通MRO技术资讯分享

       测力传感器由一个或多个能在受力后产生形变的弹性体，和能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路（如惠斯登电桥），以及能把电阻应变片固定粘贴在弹性体上并能传导应变量的粘合剂和保护电子电路的密封胶等三大部分组成测力传感器。在受到外力作用后，粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起电阻变化，电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量电信号。

       测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，使用十分方便，因而在工程领域及其他各种场合应用广。测力传感器种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式、振弦式力传感器等。

1、应变式力传感器

  在所有力传感器中，应变式力传感器应用广。它能应用于从极小到很大的动、静态力的测量，且测量精度高，其使用量约占力传感器总量的90％左右。

  应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同，它也是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。弹性元件的结构形式有柱形、筒形、环形、梁形、轮辐形、s形等。

  应变片的布置和接桥方式，对于提高传感器的灵敏度和消除有害因素的影响有很大关系。根据电桥的加减特性和弹性元件的受力性质，在贴片位置许可的情况下，可贴4或8片应变片，其位置应是弹性元件应变较大的地方。

（1）柱形应变式力传感器

       柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形，用于测量较大的力。至大量程可达10MN。在载荷较小时（1～100kN），为便于粘贴应变片和减小由于载荷偏心或侧向分力引起的弯曲影响，同时为了提高灵敏度，多采用空心柱体。四个应变片粘贴的位置和方向应保证其中两片感受纵向应变，另外两片感受横向应变（因为纵向应变与横向应变是互为反向变化的）。在实际测量中，被测力不可能正好沿着柱体的轴线作用，而总是与轴线成一微小的角度或微小的偏心，这就使得弹性柱体除了受纵向力作用外，还受到横向力和弯矩的作用，从而影响测量精度。

（2）轮辐式力传感器

  简单的柱式、筒式、梁式等弹性元件是根据正应力与载荷成正比的关系来测量的，它们存在着一些不易克服的缺点。为了进一步提高力传感器性能和测量精度，要求力传感器有抗偏心、抗侧向力和抗过载能力。20世纪70年代开始已成功地研制出切应力传感器。

  轮辐式力传感器由轮圈、轮轱、辐条和应变片组成。辐条成对且对称地连接轮圈和轮轱，当外力作用在轮轱上端面和轮轱下端面时，矩形辐条就产生平行四边形变形，形成与外力成正比的切应变。此切应变能引起与中性轴成450方向的相互垂直的两个正负正应力，即由切应力引起的拉应力和压应力，通过测量拉应力或压应力值就可知切应力值的大小。因此，在轮辐式传感器中，把应变片贴到与切应力成450的位置上，使它感受的仍是拉伸和压缩应变，但该应变不是由弯距产生的，而主要是由剪切力产生的，此即这类传感器的基本工作原理。这类传感器突出的优点是抗过载能力强，能承受几倍于额定量程的过载。此外，其抗偏心、抗侧向力的能力也较强，精度在0.1％之内。

2、压磁式力传感器

  当铁磁材料在受到外力的拉、压作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向而变化：受拉力时，沿力作用方向的导磁率增大，而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减小；受压力作用时则导磁率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压磁效应。这种效应可用于力的测量。

  压磁式力传感器一般由压磁元件、传力机构组成。其中主要部分是压磁元件，它由其上开孔的铁磁材料薄片叠成。压磁元件上冲有四个对称分布的孔，孔1和2之间绕有激磁绕组W12 （初级绕组），孔3和4间绕有测量绕组W34。（次级绕组）。当激磁绕组W12通有交变电流时，铁磁体中就产生一定大小的磁场。若无外力作用，则磁感应线相对于测量绕组平面对称分布，合成磁场强度日平行于测量绕组W34的平面，磁感应线不与测量绕组W34交连，故绕组W34不产生感应电势。当有压缩力F作用于压磁元件上时，磁感应线的分布图发生变形，不再对称于测量绕组W34的平面，合成磁场强度H不再与测量绕组平面平行，因而就有部分磁感应线与测量绕组W34相交链，而在其上感应出电势。作用力愈大，交链的磁通愈多，感应电势愈大。

  压磁式力传感器的输出电势比较大，通常不必再放大，只要经过滤波整流后就可直接输出，但要求有一个稳定的激磁电源。压磁式力传感器可测量很大的力，抗过载能力强，能在恶劣条件下工作。但频率响应不高（1～10 kHz），测量精度一般在1％左右，也有精度更高的新型结构的压磁式力传感器。常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或称重传感器，例如在轧钢机上用来测量大的力以及用在吊车秤中。

影响测力传感器稳定性的因素较多，归纳起来主要有：

1、测力传感器的结构

       测力传感器的弹性元件、外壳、膜片及上压头、下压垫的设计，都必须保证受载后在结构上不产生性能波动，或性能波动很小，为此在测力传感器设计时，应尽量作到应变区受力单一，应力均匀一致；贴片部位至好为平面；在结构上保证具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力；安装力远离应变区，测量时应避免载荷支承点的位移。尽管测力传感器属于装配制造产品，但为了保证具有至佳技术性能和长期稳定性，尽可能将它设计成一个整体结构。

2、弹性元件的金属材料

       弹性元件的金属材料对测力传感器的综合性能和长期稳定性起关键作用。应选择强度极限和弹性极限高，弹性模量的时间、温度稳定性好，弹性滞后小，机械加工和热处理产生的残余应力小的材料。有资料表明:只要材料淬火后的塑性好，它在机械加工和热处理后的残余应力就小。还要特别重视弹性模量随时间的稳定性，要求在测力传感器使用寿命期间内材料的弹性模具不发生变化。

3、机械加工与热处理工艺

       弹性元件在机械加工过程中，由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力，切削用量越大，残余应力就越大，磨削加工产生的残余应力至大。因此应制订合理的加工工艺和规定适当的切削用量。弹性元件在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和金属材料相变等原因，在芯部和表层产生方向不同的残余应力，其芯部为拉应力，表层为压应力。必须通过回火处理工艺，在其内部产生方向相反的应力，与残余应力相互抵消，减少残余应力的影响。

4、电阻应变计与应变粘结剂

       电阻应变计应具有至佳性能，要求灵敏系数稳定性好，热输出小，机械滞后和蠕变小，应变量为1000×10-6时疲劳寿命可达108，电阻值偏差小，批次质量均一性好等。应变粘结剂应具有粘结强度大，抗剪强度高；弹性模量较大且稳定；电绝缘性能好；具有与弹性元件相同或相近的热膨胀系数；蠕变和滞后小；固化时胶层体积收缩小等。粘贴电阻应变计时一定要严格控制胶层厚度，因为粘结强度随胶层厚度的增加而降低。这是由于薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面上的内应力很小，产生气泡和缺陷的几率也比较小，应变传递性能好，只要防护密封合理就可达到较高的稳定性水平。

5、制造工艺流程

       应变式测力传感器的工作原理和总体结构决定了，在生产工艺流程中有些工序必须手工操作，人为的因素对测力传感器的质量影响较大。因此必须制订科学合理并可重复的制造工艺流程，并在其中增加电子计算机控制的自动化或半自动化工序，尽量减少人为因素对产品质量的影响。

6、电路补偿与调整

        应变式测力传感器属于装配制造，贴片组桥后就形成了产品，由于内部不可避免的产生一些缺陷和外界环境条件的影响，测力传感器的某些性能指标达不到设计要求，因此必须进行各项电路补偿与调整，提高测力传感器本身的稳定性和对外部环境条件的稳定性。完善而精细的电路补偿工艺，是提高测力传感器稳定性的重要环节。

7、防护与密封

       防护与密封是测力传感器制造工艺流程中的要害工序，是测力传感器耐受客观环境和感应环境影响而能稳定可靠工作的根本保障。如果防护密封不良，粘贴在弹性元件上的电阻应变计及应变粘结剂胶层，都会吸收空气中的水分而产生增塑，造成粘结强度和刚度下降，引起零点漂移和输出无规律变化，直至测力传感器失效。因此有效的防护密封是测力传感器长期稳定工作的根本保证，否则将使各项工艺成果前功尽弃。

8、稳定性处理 （人工老炼试验）

       提高测力传感器的稳定性除处理好上述各种因素的影响外，重要的途径就是采取各种技术措施和工艺手段，模拟使用条件进行有效的人工老练试验，尽量多的释放残余应力使其性能波动减至至小。

 测力传感器的保养的几点建议;

（1）在腐蚀性较高的环境下，如潮湿、酸性对称重传感器造成弹性体受损或国产生短路等影响，应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩，抗腐蚀好且密闭性好的传感器。
（2）电磁场对称重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。
（3）易燃、易爆不对称重传感器造成彻底性的损害，而且还给其它设备和人身安造成很大的。因此，在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆提出了更高的要求：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。

（4）高温环境对称重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称重传感器常采用传感器；另外，必须加有隔热、水冷或气冷等装置。

（5）粉尘、潮湿对称重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。 从密封来看，焊接密封，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。

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