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地磅用橋式稱重傳感器疲勞性能研究
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(wěn) 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(huán)次數(shù)對傳感器性能參數(shù)的影響規(guī)律,對于傳感器的設(shè)計及大型電子衡器的使用具有 重要的指導(dǎo)意義。
1.引言
橋式稱重傳感器作為電阻應(yīng)變式稱重傳感器 的一種,以其獨特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的性能,廣泛應(yīng) 用于大型電子衡器中,其優(yōu)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(zhuǎn),制造成本低。為了保證傳感器在 “服役”期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞,且其計量性能穩(wěn)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(yīng)力作用下的性能變化,
對于傳感器的設(shè)計提出指導(dǎo)意義,提高其設(shè)計水 平,對生產(chǎn)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(huán)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 為40CrNMoA, 40CrNMoA是一種高強度合金結(jié) 構(gòu)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(shù)小,線膨脹系數(shù)小,且基本為常數(shù),利 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(yīng)力小。所以,40CrNMoA是 傳感器彈性體的理想材料之一。
確定40CrNMoA的疲勞特性,是采用該材料 進行傳感器彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)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(yīng)變一壽命關(guān) 系如公式0。
|=0.0052 x -007767+0.8312 x 帥-0J320 0 其對應(yīng)的疲勞應(yīng)變一壽命關(guān)系,如圖1所示。
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(yīng)變計的預(yù)期使用壽命; 還可以把各種有缺陷的應(yīng)變計貼在彈性體上或等 應(yīng)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(yīng)變計和稱重傳感器的使用可能產(chǎn)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(shù)會發(fā)生改變,有些參數(shù)還會有變好的 趨勢。
本文根據(jù)試驗方案的設(shè)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(shù)的測試,其中測試的計量 參數(shù)包括:重復(fù)性、線性、滯后、蠕變及蠕變恢 復(fù)、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(jù)標準
JJG 144-2007《標準測力儀檢定規(guī)程》
JJG 669-2003《稱重傳感器檢定規(guī)程》
3.1.3疲勞試驗流程
(1)試驗流程
如圖2所示。
在進行疲勞加載前,參照」」G 144-2007《標準 測力儀檢定規(guī)程》或」」G 669-2003《稱重傳感器檢 定規(guī)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(guī)程要求后,再進行疲勞加載 試驗。
(2)載荷施加次數(shù)n
載荷施加次數(shù)如表1所示,在進行疲勞加載 過程中,循環(huán)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(tài)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(shù),通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)各項 參數(shù)的變化。
(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(nèi)的零點變化,按以下公式 進行零點漂移Zd的計算。
Z尸 Oa^-Qornn x 1 00% (2
Of
式中: 30m in內(nèi)力傳感器零點輸出值
的最大值;
0 0mn 30m in內(nèi)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(fù)性、線性、滯后、靈敏度
對傳感器的性能指標進行檢測,依據(jù)391- 2009《力傳感器檢定規(guī)程》,對傳感器施加3次預(yù) 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 荷,按遞增順序逐點進行檢測,在每級載荷加到 后,保持30s,記錄并讀取數(shù)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(jié)果, 計算相應(yīng)的技術(shù)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:紙——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(nèi)正反行程校準曲線之間 的最大偏差。
如圖3所示。
重復(fù)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(xù)一 致結(jié)果的能力。計算公式為:
R=40^ x 100% 5
0f
式中:紙——進程重復(fù)校準時各點輸出差值最大值。
靈敏度S指傳感器響應(yīng)(輸出)的變化對相 應(yīng)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(wěn)定性的一個重要指標。計算公 式為:
S= I 6
軍
式中:軍一激勵電壓平均值。
(3)蠕變和蠕變恢復(fù)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(shù)設(shè)置 時選擇與傳感器量程一致的預(yù)加載力和蠕變力; 蠕變測試時間:總時間為30m in,按3m in的時間 間隔為測試時間依次讀取輸出值;蠕變恢復(fù)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(huán)境條 件和其他可變化量保持不變時,傳感器輸出隨時 間發(fā)生的變化。
蠕變:Cp= x 100% 7
蠕變恢復(fù):Cr= x100% 8
如圖4所示。
3.3試驗結(jié)果與分析
選取兩只量程為300kN、準確度等級為C3級 的橋式稱重傳感器,分別對其施加載荷的幅值為 100%FS和120%FS,試驗結(jié)果及分析如下,如圖
5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11所示。
(1)重復(fù)性、線性
在100萬次之內(nèi)重復(fù)性隨加載次數(shù)增加波動 較大,有升有降,在100萬次之后逐漸減小并趨 于穩(wěn)定。
線性隨著加載次數(shù)的增加逐漸減小并趨于穩(wěn)
定。
(2)滯后
隨著加載次數(shù)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 于 100% 。
(3)靈敏度
靈敏度隨加載次數(shù)的增加變化并不明顯,相 對比較穩(wěn)定。
(4)蠕變及蠕變恢復(fù)
蠕變參數(shù)隨著加載次數(shù)增加波動,但整體呈 上升趨勢。均未超差。
4.結(jié)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(jié)論如下。
(1)本實驗設(shè)計使用的該負荷傳感器,結(jié)構(gòu)設(shè) 計合理,傳感器中的應(yīng)力和應(yīng)變小,抗疲勞性能 好,傳感器在循環(huán)400萬次載荷作用下,未出現(xiàn) 疲勞斷裂現(xiàn)象。
(2)對比兩只承受100% FS和120% 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(fù)等性能在循環(huán)加載中變化 明顯,所以,在負荷傳感器的設(shè)計中,在靈敏度 滿足要求的情況下,宜降低傳感器的額定應(yīng)變, 從而獲得計量性能更穩(wěn)定的傳感器。