地磅用桥式称重传感器疲劳性能研究
桥式称重传感器作为大型电子衡器中的重要部件，其可靠性和计量性能的稳 定性尤为重要。本文对桥式称重传感器进行疲劳试验，研究疲劳试验特性中载荷的幅值、载 荷的循环次数对传感器性能参数的影响规律，对于传感器的设计及大型电子衡器的使用具有 重要的指导意义。
1.引言
桥式称重传感器作为电阻应变式称重传感器 的一种，以其独特的结构、优越的性能，广泛应 用于大型电子衡器中，其优点有：对加载点变化 不敏感，抗偏载性能好，固有线性好、安装方便、固定不旋转，制造成本低。为了保证传感器在 “服役”期内不发生疲劳破坏，且其计量性能稳定 可靠，本文主要开展了桥式称重传感器疲劳失效 分析研究，研究其在交变应力作用下的性能变化，
对于传感器的设计提出指导意义，提高其设计水 平，对生产厂家和使用者具有非常重要的意义。
2.桥式称重传感器的材料特性
金属材料疲劳失效按其载荷循环周次进行分 类，可分为低周疲劳、高周疲劳、超高周疲劳。
目前，在负荷传感器弹性体中，常用的金属材料 为40CrNMoA, 40CrNMoA是一种高强度合金结 构钢，是负荷传感器弹性体最常用的材料。这种合金钢屈服强度高，极限抗拉强度大；弹性模量 温度系数小，线膨胀系数小，且基本为常数，利 于传感器温度补偿；材料的弹性滞后小；加工方 便，加工后的残余应力小。所以，40CrNMoA是 传感器弹性体的理想材料之一。
确定40CrNMoA的疲劳特性，是采用该材料 进行传感器弹性体结构设计的基础。国内外学者 对该材料的超高周、高周和低周疲劳特性先后进 行了研究。鉴于负荷传感器的使用特点，低周疲 劳实验，得到95%置信度的疲劳应变一寿命关 系如公式0。
|=0.0052 x -007767+0.8312 x 帥-0J320 0 其对应的疲劳应变一寿命关系，如图1所示。
3.桥式称重传感器疲劳试验测试分析
传感器在10万次以上的加卸载疲劳试验，不仅能检验称重传感器和应变计的预期使用寿命； 还可以把各种有缺陷的应变计贴在弹性体上或等 应变梁上做疲劳试验或超载疲劳试验，以便检验 各种缺陷对应变计和称重传感器的使用可能产生 的影响。在传感器的加卸载疲劳试验中，传感器 的性能参数会发生改变，有些参数还会有变好的 趋势。
本文根据试验方案的设定，选取2台桥式称 重传感器，试验采取在500kN疲劳试验机上先进 行高周疲劳试验，然后在0.005级的30t静重式力 标准机上进行计量参数的测试，其中测试的计量 参数包括：重复性、线性、滞后、蠕变及蠕变恢 复、灵敏度、零点漂移。
3.1试验方法和步骤
3.1.1测试仪器
300kN净重式力标准机0.005%)
500kN疲劳试验机（3H)
3.1.2依据标准
JJG 144-2007《标准测力仪检定规程》
JJG 669-2003《称重传感器检定规程》
3.1.3疲劳试验流程
（1）试验流程
如图2所示。
在进行疲劳加载前，参照」」G 144-2007《标准 测力仪检定规程》或」」G 669-2003《称重传感器检 定规程》对传感器各项性能指标进行考核，在其 性能指标达到检定规程要求后，再进行疲劳加载 试验。
（2）载荷施加次数n
载荷施加次数如表1所示，在进行疲劳加载 过程中，循环载荷在10万次之前进行1千次、1 万次及5万次的加载试验，超过10万次之后，载 荷每增加10万次，暂停疲劳加载，对传感器进行 静态计量性能加载，记录传感器在进行疲劳试验 后的各项计量性能参数，通过数据分析发现各项 参数的变化。
（3）施加载荷的F
1）载荷1
最大载荷：100% FS 最小载荷：10% FS
2） 载荷 2 最大载荷：120% FS 最小载荷：10% FS 4载荷频率 载荷频率为3H z。
3.2 性能测试
（1）零点漂移
在进行性能测试前第一项指标为零点漂移
测试时，记录力传感器的零点输出值，按以下公 式进行力传感器的零点输出Z的计算。观察并记 录力传感器在30m in内的零点变化，按以下公式 进行零点漂移Zd的计算。
Z尸 Oa^-Qornn x 1 00% (2
Of
式中： 30m in内力传感器零点输出值
的最大值；
0 0mn 30m in内力传感器零点输出值
的最小值；
Of?力传感器的额定输出值。
（2）重复性、线性、滞后、灵敏度
对传感器的性能指标进行检测，依据391- 2009《力传感器检定规程》，对传感器施加3次预 负荷，每次额定负荷保持时间为30s。检测点尽量 均匀分布，检测点不少于5点，逐级施加递增负 荷,按递增顺序逐点进行检测，在每级载荷加到 后,保持30s,记录并读取数值，直到额定载荷, 然后逐级递减负荷读取输出值。并按照检定结果, 计算相应的技术指标。
直线度L是表征正行程平均校准曲线与工作 特性不一致的程度。如果采用端点连线作为工作 特性，则线性度为：
L=40^ x 100% 3
0f
式中：紙——行程校准曲线与工作特性曲线 的最大偏差。
滞后H是表征正反行程校准曲线不重合程度 的性能指标。它有传感器的弹性元件、敏感元件、 材料不同而引起，计算公式为：
H= 40^- x 100% 4
0f
式中：d%—量程内正反行程校准曲线之间 的最大偏差。
如图3所示。
重复性R指在不变的试验条件下，以相同的 方式在传感器上施加几次相同载荷，提供连续一 致结果的能力。计算公式为：
R=40^ x 100% 5
0f
式中：紙——进程重复校准时各点输出差值最大值。
灵敏度S指传感器响应（输出）的变化对相 应的激励施加的载荷变化的比。灵敏度是传 感器长期使用中稳定性的一个重要指标。计算公 式为：
S= I 6
軍
式中：軍一激励电压平均值。
（3）蠕变和蠕变恢复测试
完成负荷特性测试后，进行蠕变测试，检查 灵敏度与量程是否与传感器铭牌相符。参数设置 时选择与传感器量程一致的预加载力和蠕变力； 蠕变测试时间：总时间为30m in,按3m in的时间 间隔为测试时间依次读取输出值；蠕变恢复时间： 与蠕变测试时间相同。
蠕变指在恒定的载荷下，并且所有的环境条 件和其他可变化量保持不变时，传感器输出随时 间发生的变化。
蠕变：Cp= x 100% 7
蠕变恢复：Cr= x100% 8
如图4所示。
3.3试验结果与分析
选取两只量程为300kN、准确度等级为C3级 的桥式称重传感器，分别对其施加载荷的幅值为 100%FS和120%FS,试验结果及分析如下，如图
5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示。
（1）重复性、线性
在100万次之内重复性随加载次数增加波动 较大，有升有降，在100万次之后逐渐减小并趋 于稳定。
线性随着加载次数的增加逐渐减小并趋于稳
定。
（2）滞后
随着加载次数的增加滞后不断减小，并逐渐 趋近于零，载荷幅值为120% FS的下降幅度明显大 于 100% 。
（3）灵敏度
灵敏度随加载次数的增加变化并不明显，相 对比较稳定。
（4）蠕变及蠕变恢复
蠕变参数随着加载次数增加波动，但整体呈 上升趋势。均未超差。
4.结论
本文通过对2只桥式称重传感器的实验对比 研究，得出结论如下。
（1）本实验设计使用的该负荷传感器，结构设 计合理，传感器中的应力和应变小，抗疲劳性能 好，传感器在循环400万次载荷作用下，未出现 疲劳断裂现象。
（2）对比两只承受100% FS和120% FS额定载 荷作用下的桥式传感器，承受120% FS的传感器其 线性、蠕变和蠕变恢复等性能在循环加载中变化 明显，所以，在负荷传感器的设计中，在灵敏度 满足要求的情况下，宜降低传感器的额定应变， 从而获得计量性能更稳定的传感器。
