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(jì)量性能的穩(wěn) 定性尤為重要。本文對(duì)橋式稱重傳感器進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究疲勞試驗(yàn)特性中載荷的幅值、載 荷的循環(huán)次數(shù)對(duì)傳感器性能參數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)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(dú)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(diǎn)有：對(duì)加載點(diǎn)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(jì)量性能穩(wěn)定 可靠，本文主要開(kāi)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(duì)于傳感器的設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)意義，提高其設(shè)計(jì)水 平，對(duì)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(jìn)行分 類，可分為低周疲勞、高周疲勞、超高周疲勞。

目前，在負(fù)荷傳感器彈性體中，常用的金屬材料 為40CrNMoA, 40CrNMoA是一種高強(qiáng)度合金結(jié) 構(gòu)鋼，是負(fù)荷傳感器彈性體最常用的材料。這種合金鋼屈服強(qiáng)度高，極限抗拉強(qiáng)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(bǔ)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(jìn)行傳感器彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者 對(duì)該材料的超高周、高周和低周疲勞特性先后進(jìn) 行了研究。鑒于負(fù)荷傳感器的使用特點(diǎn)，低周疲 勞實(shí)驗(yàn)，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(duì)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(yàn)測(cè)試分析

傳感器在10萬(wàn)次以上的加卸載疲勞試驗(yàn)，不僅能檢驗(yàn)稱重傳感器和應(yīng)變計(jì)的預(yù)期使用壽命； 還可以把各種有缺陷的應(yīng)變計(jì)貼在彈性體上或等 應(yīng)變梁上做疲勞試驗(yàn)或超載疲勞試驗(yàn)，以便檢驗(yàn) 各種缺陷對(duì)應(yīng)變計(jì)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(yàn)中，傳感器 的性能參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，有些參數(shù)還會(huì)有變好的 趨勢(shì)。

本文根據(jù)試驗(yàn)方案的設(shè)定，選取2臺(tái)橋式稱 重傳感器，試驗(yàn)采取在500kN疲勞試驗(yàn)機(jī)上先進(jìn) 行高周疲勞試驗(yàn)，然后在0.005級(jí)的30t靜重式力 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的測(cè)試，其中測(cè)試的計(jì)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(diǎn)漂移。

3.1試驗(yàn)方法和步驟

3.1.1測(cè)試儀器

300kN凈重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)0.005%)

500kN疲勞試驗(yàn)機(jī)（3H)

3.1.2依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

JJG 144-2007《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(yàn)流程

（1）試驗(yàn)流程

如圖2所示。

在進(jìn)行疲勞加載前，參照」」G 144-2007《標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)力儀檢定規(guī)程》或」」G 669-2003《稱重傳感器檢 定規(guī)程》對(duì)傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行考核，在其 性能指標(biāo)達(dá)到檢定規(guī)程要求后，再進(jìn)行疲勞加載 試驗(yàn)。

（2）載荷施加次數(shù)n

載荷施加次數(shù)如表1所示，在進(jìn)行疲勞加載 過(guò)程中，循環(huán)載荷在10萬(wàn)次之前進(jìn)行1千次、1 萬(wàn)次及5萬(wàn)次的加載試驗(yàn)，超過(guò)10萬(wàn)次之后，載 荷每增加10萬(wàn)次，暫停疲勞加載，對(duì)傳感器進(jìn)行 靜態(tài)計(jì)量性能加載，記錄傳感器在進(jìn)行疲勞試驗(yàn) 后的各項(xiàng)計(jì)量性能參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)各項(xiàng) 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(cè)試

（1）零點(diǎn)漂移

在進(jìn)行性能測(cè)試前第一項(xiàng)指標(biāo)為零點(diǎn)漂移

測(cè)試時(shí)，記錄力傳感器的零點(diǎn)輸出值，按以下公 式進(jìn)行力傳感器的零點(diǎn)輸出Z的計(jì)算。觀察并記 錄力傳感器在30m in內(nèi)的零點(diǎn)變化，按以下公式 進(jìn)行零點(diǎn)漂移Zd的計(jì)算。

Z尸 Oa^-Qornn x 1 00% (2

Of

式中： 30m in內(nèi)力傳感器零點(diǎn)輸出值

的最大值；

0 0mn 30m in內(nèi)力傳感器零點(diǎn)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(duì)傳感器的性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)391- 2009《力傳感器檢定規(guī)程》，對(duì)傳感器施加3次預(yù) 負(fù)荷，每次額定負(fù)荷保持時(shí)間為30s。檢測(cè)點(diǎn)盡量 均勻分布，檢測(cè)點(diǎn)不少于5點(diǎn)，逐級(jí)施加遞增負(fù) 荷,按遞增順序逐點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，在每級(jí)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(jí)遞減負(fù)荷讀取輸出值。并按照檢定結(jié)果, 計(jì)算相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

直線度L是表征正行程平均校準(zhǔn)曲線與工作 特性不一致的程度。如果采用端點(diǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)曲線不重合程度 的性能指標(biāo)。它有傳感器的彈性元件、敏感元件、 材料不同而引起，計(jì)算公式為：

H= 40^- x 100% 4

0f

式中：d%—量程內(nèi)正反行程校準(zhǔn)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(yàn)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(jì)算公式為：

R=40^ x 100% 5

0f

式中：紙——進(jìn)程重復(fù)校準(zhǔn)時(shí)各點(diǎn)輸出差值最大值。

靈敏度S指?jìng)鞲衅黜憫?yīng)（輸出）的變化對(duì)相 應(yīng)的激勵(lì)施加的載荷變化的比。靈敏度是傳 感器長(zhǎng)期使用中穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。計(jì)算公 式為：

S= I 6

軍

式中：軍一激勵(lì)電壓平均值。

（3）蠕變和蠕變恢復(fù)測(cè)試

完成負(fù)荷特性測(cè)試后，進(jìn)行蠕變測(cè)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(shí)選擇與傳感器量程一致的預(yù)加載力和蠕變力； 蠕變測(cè)試時(shí)間：總時(shí)間為30m in,按3m in的時(shí)間 間隔為測(cè)試時(shí)間依次讀取輸出值；蠕變恢復(fù)時(shí)間： 與蠕變測(cè)試時(shí)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(shí)，傳感器輸出隨時(shí) 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(yàn)結(jié)果與分析

選取兩只量程為300kN、準(zhǔn)確度等級(jí)為C3級(jí) 的橋式稱重傳感器，分別對(duì)其施加載荷的幅值為 100%FS和120%FS,試驗(yàn)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(wàn)次之內(nèi)重復(fù)性隨加載次數(shù)增加波動(dòng) 較大，有升有降，在100萬(wàn)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(duì)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(dòng)，但整體呈 上升趨勢(shì)。均未超差。

4.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)2只橋式稱重傳感器的實(shí)驗(yàn)對(duì)比 研究，得出結(jié)論如下。

（1）本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用的該負(fù)荷傳感器，結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)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(wàn)次載荷作用下，未出現(xiàn) 疲勞斷裂現(xiàn)象。

（2）對(duì)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(fù)荷傳感器的設(shè)計(jì)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(jì)量性能更穩(wěn)定的傳感器。