Interface 301 称重传感器用户指南

称重传感器 301指南

内容隐藏

[301] XNUMX 称重传感器

称重传感器的特性和应用

Interface, Inc. 不对这些材料作任何明示或暗示的保证，包括但不限于对适销性或针对特定目的的适用性的任何暗示保证，并且仅以“原样”提供此类材料。
在任何情况下，Interface, Inc. 均不对任何人因使用这些材料而导致的或与之相关的特殊、附带、偶然或结果性的损害承担责任。
Interface®, Inc. 7401 Butherus Drive
亚利桑那州斯科茨代尔 85260
480.948.5555电话
contact@interfaceforce.com
http://www.interfaceforce.com

欢迎阅读 Interface 称重传感器 301 指南，这是一份由行业力测量专家编写的不可或缺的技术资源。这份高级指南专为寻求全面了解称重传感器性能和优化的测试工程师和测量设备用户而设计。
在本实用指南中，我们将通过技术解释、可视化和科学细节来探讨关键主题，这些对于理解和最大限度地发挥称重传感器在不同应用中的功能至关重要。
了解称重传感器的固有刚度如何影响其在不同负载条件下的性能。接下来，我们研究称重传感器的固有频率，分析轻载和重载场景，以了解负载变化如何影响频率响应。
接触共振是本指南中广泛介绍的另一个重要方面，阐明了这一现象及其对精确测量的影响。此外，我们还讨论了校准负载的应用，强调了调节电池的重要性以及在校准过程中解决影响和滞后现象。
彻底检查测试协议和校准，为确保测量过程的精确性和可靠性提供合理的指导。我们还深入研究了使用中负载的应用，重点关注轴上负载技术和控制离轴负载的策略，以提高测量精度。
此外，我们还探索了通过优化设计来减少外部负载影响的方法，为减轻外部负载对称重传感器性能的影响提供了宝贵的见解。我们还详细讨论了外部负载下的过载能力和应对冲击负载，以便让工程师掌握保护称重传感器免受不利条件影响所需的知识。
接口称重传感器 301 指南提供了宝贵的信息，可优化性能、提高准确性并确保各种应用中测量系统的可靠性。
您的界面团队

称重传感器的特性和应用

称重传感器刚度

客户经常希望将称重传感器用作机器或组件物理结构中的一个元件。因此，他们想知道称重传感器如何对机器组装和运行过程中产生的力作出反应。
对于这种机器的其他零件，如果它们由库存材料制成，设计师可以在手册中查找它们的物理特性（例如热膨胀、硬度和刚度），并根据设计确定零件之间的相互作用。但是，由于称重传感器是建立在弯曲件上的，而弯曲件是一种复杂的机械加工零件，客户对其细节并不了解，因此客户很难确定其对力的反应。考虑一个简单的弯曲如何响应施加在不同方向上的负载是一个有用的练习。图 1 显示了示例amp通过在一块钢坯的两侧磨出一个圆柱形凹槽而制成的简单挠曲件。这个想法的变体被广泛应用于机器和试验台，以将称重传感器与侧向载荷隔离。在这个例子中amp简单挠曲件代表机械设计中的构件，而不是实际的称重传感器。简单挠曲件的薄部分充当具有较小旋转弹簧常数的虚拟无摩擦轴承。因此，可能必须测量材料的弹簧常数并将其计入机器的响应特性中。如果我们以偏离其中心线的角度对挠曲件施加拉力 (FT ) 或压缩力 (FC )，挠曲件将因矢量分量 (F TX ) 或 (FCX ) 而侧向变形，如虚线所示。虽然两种情况下的结果看起来非常相似，但实际上却截然不同。
在图 1 中的拉伸情况下，挠曲件倾向于弯曲至与离轴力对齐，并且即使在相当大的张力下，挠曲件也能安全地处于平衡位置。
在压缩情况下，如图 2 所示，即使施加的力与拉伸力大小完全相同，且作用线与拉伸力相同，挠曲件的反应也可能极具破坏性，因为挠曲件会弯曲，远离施加力的作用线。这往往会增加侧向力 (F CX)，导致挠曲件
弯曲程度更大。如果侧向力超过弯曲件抵抗转动运动的能力，弯曲件将继续弯曲并最终失效。因此，压缩中的失效模式是弯曲塌陷，并且将在比拉伸中安全施加的力低得多的力下发生。
从这个例子中可以吸取的教训amp关键在于，在设计使用柱状结构的压缩称重传感器应用时必须格外小心。在压缩负载下，柱子的运动可能会放大轻微的错位，其结果可能是测量错误，甚至是结构完全失效。
前任amp展示了主要优势之一tagInterface® LowPro 的file® 单元设计。由于单元相对于其直径而言非常短，因此在压缩负载下其表现不会像柱状单元。与柱状单元相比，它对错位负载的容忍度更高。
任何称重传感器沿其主轴（法线测量轴）的刚度都可以通过给定传感器的额定容量和额定负载下的挠度轻松计算出来。称重传感器挠度数据可在 Interface® 目录中找到， web地点。
笔记：
请记住，这些值是典型值，但不是称重传感器的控制规格。一般来说，挠度是挠曲设计、挠曲材料、量规系数和传感器最终校准的特性。这些参数都是单独控制的，但累积效应可能会有一些变化。
使用图 100 中的 SSM-3 挠性件作为示例amp例如，主轴（Z）上的刚度可按下式计算：这种计算适用于主轴上的任何线性称重传感器。相比之下，(X) 和 (Y) 轴的刚度在理论上要复杂得多，而且 Mini Cells 用户通常不感兴趣，原因很简单，因为这两个轴上的传感器响应不像 LowPro 那样受控file® 系列。对于 Mini Cells，始终建议尽可能避免施加侧向载荷，因为将离轴载荷耦合到主轴输出中会给测量带来误差。
例如amp例如，施加侧向载荷 (FX ) 会导致 A 处的量规受到拉伸，而 (B) 处的量规受到压缩。如果 (A) 和 (B) 处的挠度相同，并且 (A) 和 (B) 处的量规的量规系数匹配，则我们预计传感器的输出会抵消侧向载荷的影响。但是，由于 SSM 系列是一种低成本实用传感器，通常用于侧向载荷较低的应用，因此客户为平衡侧向载荷灵敏度而额外支付的费用通常是不合理的。
当可能发生侧向载荷或力矩载荷时，正确的解决方案是在称重传感器的一端或两端使用杆端轴承，将称重传感器与那些无关的力分离。
例如amp图 4 显示了一种典型的称重传感器安装方式，用于测量放在称重盘上的一桶燃料的重量，以便对发动机测试中使用的燃料进行称重。一个 U 形夹通过其螺柱牢固地安装在支撑梁上。杆端轴承可绕其支撑销的轴线自由旋转，并且还可以在页面内外以及围绕称重传感器的主轴旋转约 ±10 度。这些运动自由度确保拉伸负载与称重传感器的主轴保持在同一中心线上，即使负载未正确居中在称重盘上。
请注意，称重传感器上的铭牌是颠倒的，因为必须将传感器的死端安装到系统的支撑端。

称重传感器固有频率：轻载情况

称重传感器经常用于将轻负载（例如称重盘或小型测试装置）连接到传感器的带电端的情况。用户想知道传感器对负载变化的响应速度有多快。通过将称重传感器的输出连接到示波器并运行简单测试，我们可以了解有关传感器动态响应的一些事实。如果我们将传感器牢固地安装在一块大木块上，然后用一把小锤轻轻敲击传感器的带电端，我们将看到
damped 正弦波列（一系列逐渐减小到零的正弦波）。
笔记：
对称重传感器施加冲击时要格外小心。即使冲击时间很短，冲击力也可能会损坏传感器。振动的频率（一秒钟内发生的周期数）可以通过测量一个完整周期（从一个正向零交叉到下一个）的时间（T）来确定。图 5 中的示波器图片上用粗线表示一个周期。知道周期（一个周期的时间）后，我们可以通过以下公式计算称重传感器自由振动的固有频率（fO）：称重传感器的固有频率很重要，因为我们可以使用其值来估计轻载系统中称重传感器的动态响应。
笔记：
固有频率是典型值，但不是受控规格。Interface® 目录中提供这些值仅供用户参考。
称重传感器的等效弹簧质量系统如图6所示。质量 (M1) 对应于传感器带电端的质量，从连接点到挠曲件的薄部分。弹簧具有弹簧常数 (K)，表示挠曲件薄测量部分的弹簧率。质量 (M2) 表示连接到称重传感器带电端的任何固定装置的附加质量。
图 7 将这些理论质量与实际称重传感器系统中的实际质量联系起来。请注意，弹簧常数 (K ) 出现在弯曲部分薄部分的分界线上。固有频率是一个基本参数，是称重传感器设计的结果，因此用户必须了解，在称重传感器的主动端添加任何质量都会降低整个系统的固有频率。例如amp例如，我们可以想象将图 1 中的质量块 M6 稍微向下拉，然后放开。质量块将以弹簧常数 (K) 和 M1 的质量决定的频率上下振动。
事实上，振荡将amp 随着时间的推移，其方式与图 5 大致相同。
如果我们现在将质量 (M2) 固定在 (M1) 上，
增加的质量负载会降低弹簧质量系统的固有频率。幸运的是，如果我们知道 (M1 ) 和 (M2) 的质量以及原始弹簧质量组合的固有频率，我们可以根据以下公式计算出增加 (M2 ) 后固有频率的降低量：对于电气或电子工程师来说，静态校准是一个 (DC ) 参数，而动态响应是一个 (AC ) 参数。这在图 7 中有所表示，其中 DC 校准显示在工厂校准证书上，用户希望知道电池在他们将在测试中使用的某个驱动频率下的响应。
请注意图 7 中“频率”和“输出”网格线的间距相等。这两者都是对数函数；也就是说，它们表示从一条网格线到下一条网格线的 10 倍。例如amp例如，“0 db”表示“无变化”；“+20 db”表示“10 db 的 0 倍”；“-20 db”表示“1 db 的 10/0”；“-40 db”表示“1 db 的 100/0”。
通过使用对数缩放，我们可以显示更大范围的数值，更常见的特征在图表上呈现为直线。例如ample，虚线表示响应曲线在固有频率以上的一般斜率。如果我们继续将图形向下并向右移动，响应将逐渐（越来越接近）虚线直线。
笔记：
图 63 中的曲线仅用于描述最佳条件下轻载称重传感器的典型响应。在大多数安装中，连接装置、测试框架、驱动机构和 UUT（被测单元）中的共振将主导称重传感器的响应。

称重传感器固有频率：重载情况

当称重传感器以机械方式紧密耦合到系统中，而系统中组件的质量明显比称重传感器自身的质量重时，称重传感器就更倾向于充当一个简单的弹簧，将系统中的驱动元件连接到从动元件。
系统设计人员面临的问题变成了分析系统中的质量及其与称重传感器非常坚硬的弹簧常数之间的相互作用。称重传感器的无载固有频率与用户系统中出现的重载共振之间没有直接的相关性。

接触共振

几乎每个人都弹过篮球，并且注意到当球越靠近地板弹起时，周期（周期之间的时间）越短。
玩过弹球机的人都看到过球在两个金属柱之间来回晃动；柱子离球的直径越近，球晃动的速度就越快。这两种共振效应都是由相同的元素驱动的：质量、自由间隙和反转行进方向的弹性接触。
振动频率与恢复力的刚度成正比，与间隙大小和质量成反比。许多机器中都存在同样的共振效应，振动的累积可能会在正常运行期间损坏机器。例如amp例如，在图 9 中，测力计用于测量汽油发动机的马力。被测发动机驱动水制动器，其输出轴连接到半径臂。臂可以自由旋转，但受到称重传感器的限制。知道发动机的转速、称重传感器上的力以及半径臂的长度，我们就可以计算出发动机的马力。
如果我们查看图 9 中杆端轴承球和杆端轴承套筒之间间隙的细节，我们会发现间隙尺寸 (D)，这是由于球和其约束套筒的尺寸不同造成的。两个球间隙的总和加上系统中的任何其他松动将是总“间隙”，这可能导致与半径臂的质量和称重传感器的弹簧率发生接触共振。随着发动机转速的提高，我们可能会发现发动机气缸的点火率与测力计的接触共振频率相匹配的某一转速。如果我们保持该转速，就会发生放大（力的倍增），接触振荡将会增加，并且很容易对称重传感器施加十倍或更多倍于平均力的冲击力。
与测试八缸汽车发动机相比，测试单缸割草机发动机时这种效果会更加明显，因为在汽车发动机中，点火脉冲重叠时会变得平滑。一般来说，提高共振频率会改善测力计的动态响应。
可以通过以下方法最大程度地减少接触共振的影响：

使用高质量杆端轴承，其球窝之间的间隙非常小。

拧紧杆端轴承螺栓，确保球紧密贴合amp编辑到位。
使测力计框架尽可能坚固。
使用更高容量的称重传感器来增加称重传感器的刚度。

校准负载的应用：调节电池

任何依靠金属挠度进行操作的传感器（如称重传感器、扭矩传感器或压力传感器）都会保留其先前负载的历史记录。之所以出现这种效果，是因为金属晶体结构的微小运动虽然很小，但实际上具有摩擦分量，表现为滞后现象（从不同方向进行的测量不重复）。
在校准运行之前，可以通过施加三个负载（从零到超过校准运行中最高负载的负载）来清除称重传感器的历史记录。通常，至少施加一个额定容量的 130% 到 140% 的负载，以便正确设置和将测试夹具卡入称重传感器。
如果对称重传感器进行调节并且正确进行加载，将获得具有 (ABCDEFGHIJA) 特征的曲线，如图 10 所示。
这些点都会落在一条平滑的曲线上，当回到零点时曲线就会闭合。此外，如果重复测试并且正确进行加载，第一次和第二次运行之间的对应点将非常接近，从而证明了测量的可重复性。

校准载荷的应用：冲击和滞后

当校准运行产生的结果没有平滑的曲线、重复性不佳或没有返回零时，应该首先检查测试设置或加载程序。
例如ample，图 10 显示了操作员在施加 60% 负载时不小心施加负载的结果。如果将重物轻轻地落到装载架上并施加 80% 负载的冲击，然后返回到 60% 点，则称重传感器将在较小的滞后环路上运行，该环路最终会位于点 (P) 而不是点 (D)。继续测试，80% 点将最终位于 (R)，而 100% 点将最终位于 (S)。下降点将全部位于正确点之上，并且不会关闭返回零点。
如果操作员超出正确设置，然后将压力泄漏回正确点，则液压测试框架上也会出现相同类型的错误。影响或超出设置的唯一补救措施是重新调节单元并重新测试。

测试协议和校准

称重传感器通常以一种模式（拉伸或压缩）进行调节，然后在该模式下进行校准。如果还需要以相反模式进行校准，则在进行第二次校准之前，先以该模式调节传感器。因此，校准数据仅反映传感器以相关模式进行调节时的运行情况。
因此，在合理讨论可能的错误来源之前，确定客户计划使用的测试协议（负载应用顺序）非常重要。在许多情况下，必须制定特殊的工厂验收方案，以确保满足用户的要求。
对于非常严格的应用，用户通常能够校正其测试数据以消除称重传感器的非线性，从而消除大量总误差。如果他们无法做到这一点，非线性将成为其误差预算的一部分。
非重复性本质上是用户信号调节电子设备的分辨率和稳定性的函数。称重传感器的非重复性通常比用于测量它的负载框架、夹具和电子设备更好。
其余误差源，即滞后，在很大程度上取决于用户测试协议中的加载顺序。在许多情况下，可以优化测试协议，以尽量减少测量中引入不必要的滞后。
然而，有时用户会受到外部客户要求或内部产品规范的限制，以未定义的方式操作称重传感器，这将导致未知的滞后效应。在这种情况下，用户必须接受最坏情况下的滞后作为操作规范。
此外，有些电池在正常使用周期内必须在两种模式（拉伸和压缩）下运行，而无法在切换模式之前重新调节电池。这会导致一种称为切换的情况（在两种模式循环后不返回零）。
在正常的工厂产量中，肘节的幅度范围很广，最坏情况大约等于或略大于滞后，具体取决于称重传感器的挠曲材料和容量。
幸运的是，切换问题有几种解决方案：

使用更高容量的称重传感器，以便它能够在其容量的较小范围内运行。当延伸到相反模式的百分比较小时，切换较低tag额定容量的e。

使用由下部拨动材料制成的电池。请联系工厂获取建议。
指定正常工厂生产的选择标准。大多数单元都有一系列切换，可以从正态分布中产生足够的单元。根据工厂建造率，此选择的成本通常相当合理。

指定更严格的规格并让工厂报价特殊运行。

使用中载荷的应用：轴上载荷

所有轴上载荷都会产生一定程度的轴外无关分量，无论其大小。这种无关载荷的大小取决于机器或负载框架设计中零件的公差、零件制造的精度、组装过程中机器元件的对齐程度、承载零件的刚性以及连接硬件的适当性。
离轴负载的控制
用户可以选择设计系统以消除或减少负载传感器上的离轴负载，即使结构在负载下发生变形。在拉伸模式下，这可以通过使用带 U 形夹的杆端轴承来实现。
当称重传感器可以与测试框架结构分离时，称重传感器可以以压缩模式使用，这样几乎可以消除对称重传感器施加偏轴负载分量。但是，在任何情况下都无法完全消除偏轴负载，因为承载构件总是会发生偏转，并且负载按钮和负载板之间总是存在一定量的摩擦，从而将侧向负载传递到称重传感器中。
如有疑问，LowProfile® 单元将始终是首选单元，除非整个系统误差预算为外部负载留有足够的余地。
通过优化设计减少外部载荷效应
在高精度测试应用中，可以通过使用磨削挠曲件构建测量框架来实现具有低额外负载的刚性结构。当然，这需要对框架进行精密加工和组装，这可能会产生相当大的成本。

额外负载下的过载能力

离轴负载的一个严重影响是降低传感器的过载能力。标准称重传感器的典型 150% 过载额定值或疲劳额定传感器的 300% 过载额定值是主轴上的允许负载，同时不会对传感器施加任何侧向负载、力矩或扭矩。这是因为离轴矢量将与轴上负载矢量相加，并且矢量和可能导致弯曲中一个或多个测量区域出现过载情况。
当已知外部载荷时，要找到允许的轴上过载能力，请计算外部载荷的轴上分量，并用代数方法从额定过载能力中减去它们，同时要小心记住电池的加载模式（拉伸或压缩）。

冲击载荷

新手经常在老手警告他们注意冲击载荷之前就损坏称重传感器。我们都希望称重传感器至少能够吸收非常短暂的冲击而不损坏，但实际情况是，如果传感器的带电端相对于死端移动超过满容量偏转的 150%，则传感器可能会过载，无论过载发生的间隔有多短。
在前文第 1 幅amp如图 11 所示，质量为“m”的钢球从高度“S”落到称重传感器的带电端。在下落过程中，钢球在重力作用下加速，在接触传感器表面的瞬间，钢球的速度达到“v”。
在图 2 中，球的速度将完全停止，而在图 3 中，球的方向将反转。所有这些都必须在称重传感器达到额定过载能力所需的距离内发生，否则传感器可能会损坏。
在前amp如图所示，我们选择了一个在超载前最大偏转量为 0.002 英寸的传感器。为了使球在如此短的距离内完全停止，传感器必须对球施加巨大的力。如果球重一磅，从一英尺的高度落到传感器上，图 12 的图表表明传感器将受到 6,000 lbf 的冲击力（假设球的质量远大于称重传感器带电端的质量，通常情况如此）。
只要记住影响与质量以及下降距离的平方成正比，就可以在心里修改图表的比例。Interface® 是值得信赖的力测量解决方案全球领导者。
我们通过设计、制造和保证最高性能的称重传感器、扭矩传感器、多轴传感器和相关仪器而处于领先地位。我们世界一流的工程师为航空航天、汽车、能源、医疗以及测试和测量行业提供数百种配置的解决方案，从克到数百万磅。我们是全球财富 100 强公司的卓越供应商，包括波音、空客、NASA、福特、通用汽车、强生、NIST 和数千个测量实验室。我们的内部校准实验室支持各种测试标准：ASTM E74、ISO-376、MIL-STD、EN10002-3、ISO-17025 等。
您可以在 www.interfaceforce.com 上找到有关称重传感器和 Interface® 产品的更多技术信息，或致电我们的专家应用工程师：480.948.5555。