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地磅用橋式稱重傳感器疲勞性能研究

時間:2018-03-29 01:37:29   點擊數:

橋式稱重傳感器作為大型電子衡器中的重要部件其可靠性和計量性能的穩 定性尤為重要。本文對橋式稱重傳感器進行疲勞試驗,研究疲勞試驗特性中載荷的幅值、載 荷的循環次數對傳感器性能參數的影響規律,對于傳感器的設計及大型電子衡器的使用具有 重要的指導意義。

1.引言

橋式稱重傳感器作為電阻應變式稱重傳感器 的一種,以其獨特的結構、優越的性能,廣泛應 用于大型電子衡器中其優點有:對加載點變化 不敏感抗偏載性能好固有線性好、安裝方便、固定不旋轉,制造成本低。為了保證傳感器在 服役期內不發生疲勞破壞且其計量性能穩定 可靠,本文主要開展了橋式稱重傳感器疲勞失效 分析研究,研究其在交變應力作用下的性能變化,

對于傳感器的設計提出指導意義,提高其設計水 平,對生產廠家和使用者具有非常重要的意義。

2.橋式稱重傳感器的材料特性

金屬材料疲勞失效按其載荷循環周次進行分 類,可分為低周疲勞、高周疲勞、超高周疲勞。

目前,在負荷傳感器彈性體中,常用的金屬材料 40CrNMoA, 40CrNMoA是一種高強度合金結 構鋼,是負荷傳感器彈性體最常用的材料。這種合金鋼屈服強度高,極限抗拉強度大;彈性模量 溫度系數小,線膨脹系數小且基本為常數 于傳感器溫度補償;材料的彈性滯后小;加工方 便,加工后的殘余應力小。所以,40CrNMoA 傳感器彈性體的理想材料之

確定40CrNMoA的疲勞特性,是采用該材料 進行傳感器彈性體結構設計的基礎。國內外學者 對該材料的超高周、高周和低周疲勞特性先后進 行了研究。鑒于負荷傳感器的使用特點低周疲 勞實驗得到95%置信度的疲勞應變壽命關 系如公式0

|=0.0052 x -007767+0.8312 x -0J320 0 其對應的疲勞應變壽命關系,如圖1所示。

001.jpg

3.橋式稱重傳感器疲勞試驗測試分析

傳感器在10萬次以上的加卸載疲勞試驗不僅能檢驗稱重傳感器和應變計的預期使用壽命; 還可以把各種有缺陷的應變計貼在彈性體上或等 應變梁上做疲勞試驗或超載疲勞試驗,以便檢驗 各種缺陷對應變計和稱重傳感器的使用可能產生 的影響。在傳感器的加卸載疲勞試驗中,傳感器 的性能參數會發生改變,有些參數還會有變好的 趨勢。

本文根據試驗方案的設定,選取2臺橋式稱 重傳感器,試驗采取在500kN疲勞試驗機上先進 行高周疲勞試驗,然后在0.005級的30t靜重式力 標準機上進行計量參數的測試,其中測試的計量 參數包括:重復性、線性、滯后、蠕變及蠕變恢 復、靈敏度、零點漂移。

3.1試驗方法和步驟

3.1.1測試儀器

300kN凈重式力標準機0.005%)

500kN疲勞試驗機3H)

3.1.2依據標準

JJG 144-2007《標準測力儀檢定規程》

JJG 669-2003《稱重傳感器檢定規程》

3.1.3疲勞試驗流程

1試驗流程

如圖2所示。

002.jpg

在進行疲勞加載前,參照」」G 144-2007《標準 測力儀檢定規程》或」」G 669-2003《稱重傳感器檢 定規程》對傳感器各項性能指標進行考核,在其 性能指標達到檢定規程要求后,再進行疲勞加載 試驗

2載荷施加次數n

載荷施加次數如表1所示,在進行疲勞加載 過程中循環載荷在10萬次之前進行1千次1 萬次及5萬次的加載試驗,超過10萬次之后,載 荷每增加10萬次,暫停疲勞加載對傳感器進行 靜態計量性能加載,記錄傳感器在進行疲勞試驗 后的各項計量性能參數,通過數據分析發現各項 參數的變化

003.jpg

3施加載荷的F

1載荷1

最大載荷:100% FS 最小載荷:10% FS

2 載荷 2 最大載荷:120% FS 最小載荷:10% FS 4載荷頻率 載荷頻率為3H z

3.2 性能測試

1零點漂移

在進行性能測試前第一項指標為零點漂移

測試時記錄力傳感器的零點輸出值按以下公 式進行力傳感器的零點輸出Z的計算。觀察并記 錄力傳感器在30m in內的零點變化按以下公式 進行零點漂移Zd的計算。

Z Oa^-Qornn x 1 00% (2

Of

式中: 30m in內力傳感器零點輸出值

的最大值;

0 0mn 30m in內力傳感器零點輸出值

的最小值;

Of?力傳感器的額定輸出值。

2重復性、線性、滯后、靈敏度

對傳感器的性能指標進行檢測,依據391- 2009《力傳感器檢定規程》,對傳感器施加3次預 負荷,每次額定負荷保持時間為30s檢測點盡量 均勻分布,檢測點不少于5點,逐級施加遞增負 ,按遞增順序逐點進行檢測,在每級載荷加到 ,保持30s,記錄并讀取數值,直到額定載荷, 然后逐級遞減負荷讀取輸出值。并按照檢定結果, 計算相應的技術指標。

直線度L是表征正行程平均校準曲線與工作 特性不一致的程度。如果采用端點連線作為工作 特性,則線性度為:

L=40^ x 100% 3

0f

式中:——行程校準曲線與工作特性曲線 的最大偏差。

滯后H是表征正反行程校準曲線不重合程度 的性能指標。它有傳感器的彈性元件、敏感元件、 材料不同而引起,計算公式為:

H= 40^- x 100% 4

0f

式中d%—量程內正反行程校準曲線之間 的最大偏差。

如圖3所示。

重復性R指在不變的試驗條件下,以相同的 方式在傳感器上施加幾次相同載荷提供連續一 致結果的能力。計算公式為:

R=40^ x 100% 5

0f

式中:紙——進程重復校準時各點輸出差最大值

靈敏度S指傳感器響應(輸出的變化對相 應的激勵施加的載荷變化的比。靈敏度是傳 感器長期使用中穩定性的一個重要指標。計算公 式為:

S= I 6

式中:軍激勵電壓平均值。

3蠕變和蠕變恢復測試

完成負荷特性測試后,進行蠕變測試,檢查 靈敏度與量程是否與傳感器銘牌相符。參數設置 時選擇與傳感器量程一致的預加載力和蠕變力; 蠕變測試時間:總時間為30m in,3m in的時間 間隔為測試時間依次讀取輸出值;蠕變恢復時間: 與蠕變測試時間相同。

蠕變指在恒定的載荷下,并且所有的環境條 件和其他可變化量保持不變時,傳感器輸出隨時 間發生的變化。

蠕變:Cp= x 100% 7

蠕變恢復:Cr= x100% 8

如圖4所示。

004.jpg

3.3試驗結果與分析

選取兩只量程為300kN準確度等級為C3 的橋式稱重傳感器,分別對其施加載荷的幅值為 100%FS120%FS,試驗結果及分析如下如圖

5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11所示

005.jpg


006.jpg

007.jpg

008.jpg



1重復性、線性

100萬次之內重復性隨加載次數增加波動 較大,有升有降,在100萬次之后逐漸減小并趨 于穩定。

線性隨著加載次數的增加逐漸減小并趨于穩

定。

2滯后

隨著加載次數的增加滯后不斷減小,并逐漸 趨近于零,載荷幅值為120% FS的下降幅度明顯大  100%

3靈敏度

靈敏度隨加載次數的增加變化并不明顯,相 對比較穩定。

4蠕變及蠕變恢復

蠕變參數隨著加載次數增加波動,但整體呈 上升趨勢。均未超差。

4.結論

本文通過對2只橋式稱重傳感器的實驗對比 研究,得出結論如下。

1本實驗設計使用的該負荷傳感器,結構設 計合理傳感器中的應力和應變小,抗疲勞性能 好,傳感器在循環400萬次載荷作用下,未出現 疲勞斷裂現象。

2對比兩只承受100% FS120% FS額定載 荷作用下的橋式傳感器,承受120% FS的傳感器其 線性、蠕變和蠕變恢復等性能在循環加載中變化 明顯,所以,在負荷傳感器的設計中,在靈敏度 滿足要求的情況下,宜降低傳感器的額定應變, 從而獲得計量性能更穩定的傳感器。

 


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