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。