Interface 301 稱重感測器使用者指南

稱重感測器 301指南

301稱重感測器

稱重感測器特性與應用

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修訂2024
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歡迎閱讀 Interface Load Cell 301 指南，這是由產業力測量專家撰寫的不可或缺的技術資源。本高級指南專為尋求全面了解稱重感測器性能和優化的測試工程師和測量設備使用者而設計。
在本實用指南中，我們透過技術解釋、視覺化和科學細節來探討關鍵主題，這對於理解和最大限度地發揮稱重感測器在不同應用中的功能至關重要。
了解稱重感測器的固有剛度如何影響其在不同負載條件下的性能。接下來，我們研究稱重感測器固有頻率，分析輕載和重載情況，以了解負載變化如何影響頻率響應。
接觸共振是本指南廣泛討論的另一個重要方面，它揭示了這種現象及其對精確測量的影響。此外，我們還討論了校準負載的應用，強調了調節電池並解決校準過程中的影響和滯後的重要性。
測試協議和校準經過徹底檢查，為確保測量過程的精度和可靠性提供了明智的指導。我們也深入研究使用中負載的應用，重點關注軸上負載技術和控制離軸負載的策略，以提高測量精度。
此外，我們還探索了透過優化設計來減少外部負載影響的方法，為減輕對稱重感測器性能的外部影響提供了寶貴的見解。也詳細討論了外部負載的過載能力和處理衝擊負載的能力，以使工程師具備保護稱重感測器免受不利條件影響所需的知識。
Interface Load Cell 301 指南提供了寶貴的信息，可優化效能、提高精度並確保各種應用中測量系統的可靠性。
您的介面團隊

稱重感測器特性與應用

稱重感測器剛度

客戶經常希望使用稱重感測器作為機器或組件物理結構中的一個元件。因此，他們想知道電池對機器組裝和操作過程中產生的力有何反應。
對於這種機器的由庫存材料製成的其他部件，設計者可以在手冊中找到它們的物理特性（例如熱膨脹、硬度和剛度），並根據他的設計確定部件的相互作用。然而，由於稱重感測器是建立在撓性件上的，而撓性件是一個複雜的機械加工零件，其細節客戶不知道，因此客戶很難確定其對力的反應。考慮簡單的彎曲如何響應不同方向上施加的負荷是一個有用的練習。圖 1 顯示了前amp在一塊鋼坯的兩側磨出圓柱形凹槽而製成的簡單撓曲件。這種想法的變體廣泛應用於機器和測試台中，以將稱重感測器與側面負載隔離。在這個前amp例如，簡單的撓性件代表機器設計中的一個構件，而不是實際的稱重感測器。簡單撓性件的薄部分充當具有小旋轉彈簧常數的虛擬無摩擦軸承。因此，可能必須測量材料的彈簧常數並將其納入機器的響應特性中。 如果我們以偏離其中心線的角度向撓曲件施加拉力 (FT ) 或壓縮力 (FC )，則撓曲件將因向量分量 (F TX) 或 (FCX ) 橫向扭曲，如虛線所示大綱。儘管這兩種情況的結果看起來非常相似，但它們卻截然不同。
在圖 1 的拉伸情況下，撓曲件往往會彎曲成與離軸力對齊，並且即使在相當大的張力下，撓曲件也會安全地呈現平衡位置。
在壓縮情況下，如圖 2 所示，即使所施加的力與拉力大小完全相同並且沿著與拉力相同的作用線施加，彎曲件的反作用力也可能具有高度破壞性，因為彎曲件會彎曲遠離所施加的力的作用線。這往往會增加側向力 (F CX)，從而導致彎曲
彎曲得更多。如果側向力超過撓曲件抵抗轉動運動的能力，則撓曲件將繼續彎曲並最終失效。因此，壓縮時的失效模式是彎曲塌陷，並且會在比拉伸時安全施加的力低得多的力下發生。
從這位前任身上學到的教訓amp值得注意的是，在設計使用柱狀結構的壓縮稱重感測器應用時必須格外小心。輕微的不對中可能會因柱在壓縮載荷下的運動而放大，其結果可能是測量錯誤，甚至結構完全失效。
前任ample 展示了主要優點之一tagInterface® LowPro 的特性file® 電池設計。由於電池相對於其直徑非常短，因此它在壓縮負載下的表現不像柱電池。它比柱單元更能容忍未對準的負載。
給定感測器的額定容量及其在額定負載下的偏轉，可以輕鬆計算任何稱重感測器沿其主軸（即法線測量軸）的剛度。稱重感測器偏轉數據可在 Interface® 目錄中找到， web地點。
筆記：
請記住，這些值是典型值，但不是稱重感測器的受控規格。一般來說，撓度是撓曲設計、撓曲材料、應變係數和電池最終校準的特性。這些參數都是單獨控制的，但累積效應可能會有一些變化。
使用圖 100 中的 SSM-3 撓性件，作為前ample，主軸 (Z) 上的剛度可計算如下：這種類型的計算適用於其主軸上的任何線性稱重感測器。相較之下，(X ) 和 (Y ) 軸的剛度在理論上確定起來要複雜得多，而且 Mini Cells 的使用者通常對它們不感興趣，原因很簡單，細胞在這兩個軸上的反應不像LowPro 那樣受到控制file®系列。對於迷你電池，始終建議盡可能避免施加側面負載，因為將離軸負載耦合到主軸輸出中可能會為測量帶來誤差。
對於前amp例如，施加側向負荷 (FX ) 會導致 A 處的儀表顯示張力，而 (B) 處的儀表顯示壓縮。如果 (A) 和 (B) 處的彎曲相同，且 (A) 和 (B) 處的應變片的應變係數匹配，我們預期電池的輸出會抵消側向負載的影響。然而，由於 SSM 系列是一種低成本公用電池，通常用於具有低側向負載的應用，因此客戶平衡側向負載敏感度的額外成本通常是不合理的。
在可能發生側向負載或力矩負載的情況下，正確的解決方案是透過在稱重感測器一端或兩端使用桿端軸承，將稱重感測器與這些外來力分開。
對於前amp圖 4 顯示了典型的稱重感測器安裝，用於測量位於稱重盤上的一桶燃料的重量，以便對引擎測試中使用的燃料進行稱重。U 型夾透過螺柱牢固地安裝到支撐樑上。桿端軸承可繞其支撐銷的軸線自由旋轉，並且還可以在頁面內外以及繞稱重感測器的主軸線旋轉約±10度。這些運動自由度確保張力負載保持在與稱重感測器主軸相同的中心線上，即使負載沒有正確位於秤盤的中心。
請注意，稱重感測器上的銘牌讀數是顛倒的，因為稱重感測器的末端必須安裝到系統的支撐端。

稱重感測器固有頻率：輕載情況

稱重感測器經常用於輕負載（例如稱重盤或小型測試夾具）連接到感測器帶電端的情況。用戶想知道電池對負載變化的反應速度。透過將稱重感測器的輸出連接到示波器並執行簡單的測試，我們可以了解有關稱重感測器動態響應的一些事實。如果我們將電池牢固地安裝在一個大塊上，然後用小錘輕輕敲擊電池的活動端，我們會看到
damped 正弦波列（一系列逐漸減少到零的正弦波）。
筆記：
對稱重傳感器施加衝擊時要格外小心。即使時間間隔很短，力的水平也會損壞電池。振動的頻率（一秒內發生的週期數）可以透過測量一個完整週期（從一個正向過零到下一個過零）的時間 (T ) 來確定。圖 5 中的示波器圖片上以粗跡線指示了一個週期。知道週期（一個週期的時間），我們可以根據以下公式計算稱重感測器自由振盪的固有頻率（fO）：稱重感測器的固有頻率很有趣，因為我們可以使用它的值來估計輕載系統中稱重感測器的動態響應。
筆記：
固有頻率是典型值，但不是受控規格。 Interface® 目錄中提供的它們僅作為對使用者的幫助。
稱重感測器的等效彈簧質量系統如圖 6 所示。 質量 (M1) 對應於電池活動端的質量，從附著點到彎曲的薄部分。彈簧具有彈簧常數 (K)，代表撓性件薄測量部分的彈簧剛度。質量 (M2) 表示連接到稱重感測器活動端的任何固定裝置的附加質量。
圖 7 將這些理論品質與實際稱重感測器系統中的實際品質連結起來。請注意，彈簧常數 (K ) 出現在撓曲薄部分的分界線上。固有頻率是一個基本參數，是稱重感測器設計的結果，因此使用者必須了解稱重感測器主動端上添加的任何質量都會降低整個系統的固有頻率。對於前ample，我們可以想像稍微向下拉圖 1 中的質量 M6，然後放開。質量塊將以彈簧常數 (K ) 和 M1 的質量確定的頻率上下振盪。
事實上，振盪將damp 隨著時間的推移，其方式與圖 5 中的大致相同。
如果我們現在將質量 (M2) 固定在 (M1) 上，
增加的質量負荷將降低彈簧質量系統的固有頻率。幸運的是，如果我們知道 (M1 ) 和 (M2) 的質量以及原始彈簧質量組合的固有頻率，我們可以根據以下公式計算出添加 (M2 ) 後固有頻率將降低的量公式：對於電氣或電子工程師來說，靜態校準是（DC）參數，而動態響應是（AC）參數。如圖 7 所示，其中直流校準顯示在工廠校準證書上，使用者想知道在測試中使用的某些驅動頻率下電池的響應是什麼。
請注意圖 7 中圖表上「頻率」和「輸出」網格線的間距相等。也就是說，它們代表從一條網格線到下一條網格線的 10 倍。對於前ample，「0 db」表示「無變化」； 「+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”。
透過使用對數縮放，我們可以顯示更大範圍的值，並且更常見的特徵在圖表上是直線。對於前ample，虛線顯示了固有頻率以上響應曲線的一般斜率。如果我們繼續將圖形向下並向右延伸，響應將變得漸近（越來越接近）虛直線。
筆記：
圖 63 中的曲線僅用於描繪最佳條件下輕載稱重感測器的典型響應。在大多數安裝中，連接夾具、測試框架、驅動機構和 UUT（被測單元）中的共振將主導稱重感測器的反應。

稱重感測器固有頻率：重載情況

如果稱重感測器以機械方式緊密耦合到系統中，其中組件的質量明顯比稱重感測器自身的質量重，則稱重感測器往往更像一個簡單的彈簧，將驅動元件連接到從動元件。
系統設計者面臨的問題之一是分析系統中的質量及其與稱重感測器的非常剛性的彈簧常數的相互作用。稱重感測器的空載固有頻率與使用者係統中看到的重載共振之間沒有直接相關性。

接觸共振

幾乎每個人都彈過籃球，並注意到當球彈得更靠近地板時，週期（週期之間的時間）會更短。
任何玩過彈珠台的人都看過彈珠台在兩個金屬柱之間來回嘎嘎作響。柱子越接近球的直徑，球發出的嘎嘎聲就越快。這兩種共振效應均由相同的元素驅動：質量、自由間隙和反轉行進方向的彈性接觸。
振盪頻率與恢復力的剛度成正比，與間隙的大小和質量成反比。在許多機器中都可以發現相同的共振效應，並且振動的累積可能會在正常運作期間損壞機器。對於前amp如圖9所示，測功機用於測量汽油引擎的馬力。被測引擎驅動水煞車器，其輸出軸連接到半徑臂。手臂可以自由旋轉，但受到稱重感測器的限制。知道引擎的轉速、稱重感知器上的力以及半徑臂的長度，我們就可以計算出引擎的馬力。
如果我們查看圖 9 中桿端軸承球和桿端軸承套筒之間間隙的細節，我們會發現間隙尺寸 (D)，因為球和軸的尺寸不同。兩個球間隙的總和，加上系統中的任何其他鬆動，將是總“間隙”，該間隙可能會導致與半徑臂的質量和稱重感測器的彈簧剛度產生接觸共振。隨著引擎轉速的增加，我們可能會發現某個轉速，在該轉速下引擎汽缸的點火速率與測功機的接觸共振頻率相符。如果我們保持該轉速，就會發生放大（力的倍增），接觸振盪將會建立，並且很容易將平均力十倍或更多倍的衝擊力施加在稱重感測器上。
在測試單缸割草機引擎時，這種效果比測試八缸汽車引擎時更加明顯，因為當點火脈衝在汽車引擎中重疊時，它們會被平滑化。一般來說，提高諧振頻率會改善測功機的動態響應。
接觸共振的影響可以透過以下方式最小化：

• 使用高品質的桿端軸承，球和承窩之間的間隙非常小。
• 鎖緊桿端軸承螺栓，確保鋼球緊密接合amp編輯到位。
• 使測功機框架盡可能堅硬。
• 使用更高容量的稱重感測器來增加稱重感測器的剛度。

校準負載的應用：調節電池

任何依賴金屬偏轉進行操作的感測器（例如稱重感測器、扭矩感測器或壓力感測器）都會保留其先前負載的歷史記錄。造成這種效應的原因是金屬晶體結構的微小運動雖然很小，但實際上具有表現為滯後的摩擦分量（從不同方向進行的測量不重複）。
在校準運行之前，可以透過應用三個負載（從零到超過校準運行中的最高負載的負載）來將歷史記錄從稱重感測器中清除。通常，至少施加額定容量 130% 至 140% 的負載，以允許正確設置測試夾具並將其卡入稱重感測器。
如果稱重感測器經過調節且加載正確，將獲得具有 (ABCDEFGHIJA) 特徵的曲線，如圖 10 所示。
這些點將全部落在一條平滑曲線上，並且曲線將在歸零時閉合。 此外，如果重複測試並且加載正確，則第一次和第二次運行之間的對應點將非常接近，從而證明了測量的可重複性。

校準負載的應用：衝擊和滯後

每當校準運行產生的結果不具有平滑曲線、不能很好地重複或不能返回零時，測試設定或載入程序應該是首先要檢查的地方。
對於前amp例如，圖 10 顯示了當操作員不小心施加 60% 負載時施加負載的結果。如果重物稍微落到裝載架上並施加 80% 負載的衝擊，然後返回到 60% 點，則稱重感測器將在較小的磁滯迴線上運行，最終會到達點 (P)，而不是點（D）。繼續測試，80% 的點將結束於 (R)，100% 的點將結束於 (S)。下降的點都會落在正確的點之上，並且歸零不會關閉。
如果操作員超出正確的設置，然後將壓力洩漏回正確的點，則液壓測試框架上也會出現相同類型的錯誤。影響或超調的唯一方法是修復電池並重新測試。

測試協議和校準

稱重感測器通常在一種模式（拉伸或壓縮）下進行調節，然後在該模式下進行校準。如果還需要在相反模式下進行校準，則在第二次校準之前先將電池置於該模式下。因此，校準數據僅反映電池在所討論的模式下的運作。
因此，在合理討論可能的錯誤來源之前，確定客戶計劃使用的測試協議（負載應用的順序）非常重要。在許多情況下，必須設計特殊的工廠驗收以確保滿足使用者的要求。
對於非常嚴格的應用，使用者通常能夠針對稱重感測器的非線性校正其測試數據，從而消除大量的總誤差。如果他們無法做到這一點，非線性將成為他們誤差預算的一部分。
不可重複性本質上是使用者訊號調節電子裝置的分辨率和穩定性的函數。稱重感測器通常具有比用於測量它的負載框架、固定裝置和電子設備更好的不可重複性。
剩餘的誤差來源（滯後）高度依賴使用者測試協定中的載入順序。在許多情況下，可以最佳化測試協議，以最大限度地減少測量中引入的不必要的滯後現象。
然而，在某些情況下，使用者受到外部客戶要求或內部產品規範的限制，以未定義的方式操作稱重感測器，這將導致未知的滯後效應。在這種情況下，使用者將不得不接受最壞情況的磁滯作為操作規範。
此外，有些電池在其正常使用週期內必須在兩種模式（拉伸和壓縮）下運行，而無法在改變模式之前對電池進行修復。這會導致稱為切換的情況（循環兩種模式後不返回到零）。
在正常的工廠輸出中，切換的幅度是一個很寬的範圍，其中最壞的情況大約等於或略大於磁滯，這取決於稱重感測器的撓曲材料和容量。
幸運的是，有幾種解決切換問題的方法：

• 使用更高容量的稱重感測器，使其可以在較小的容量範圍內運作。當延伸到相反模式的百分比較小時，切換較低tage 額定容量。
• 使用由下部肘節材料製成的電池。請聯絡工廠尋求建議。
• 指定正常工廠生產的選擇標準。大多數單元格都有一個切換範圍，可以從常態分佈中產生足夠的單位。根據工廠建造率，這種選擇的成本通常是相當合理的。
• 指定更嚴格的規格並讓工廠報價特殊運作。

使用中載荷的應用：軸上載荷

所有軸上載重都會產生一定程度的離軸無關分量（無論多小）。這種額外負載的量是機器或負載框架設計中零件的公差、零件製造的精度、組裝過程中機器元件對齊的仔細程度、剛性的函數。
離軸負載的控制
使用者可以選擇設計系統，以消除或減少稱重感測器上的離軸負載，即使結構在負載下變形也是如此。在張緊模式下，這可以透過使用U形夾的桿端軸承來實現。
當稱重感測器可以與測試框架的結構分開時，它可以在壓縮模式下使用，這幾乎消除了對感測器施加離軸載荷部件。然而，在任何情況下都不能完全消除離軸載荷，因為承載構件總是會發生偏轉，並且加載按鈕和加載板之間總是存在一定量的摩擦力，可以將側向載荷傳遞到承載件上。
如有疑問，LowProfile® 單元將始終是首選單元，除非整個系統誤差預算為額外負載提供了足夠的餘裕。
透過優化設計減少外部負載效應
在高精度測試應用中，可以透過使用地面彎曲來建立測量框架來實現具有低外部負載的剛性結構。這當然需要框架的精密加工和組裝，這可能構成相當大的成本。

外部負載的過載能力

離軸負載的一項嚴重影響是電池過載能力的降低。標準稱重感測器上的典型 150% 額定過載或疲勞額定感測器上的 300% 過載額定值是主軸上允許的負載，沒有任何側向負載、力矩或扭矩同時施加到感測器上。這是因為離軸向量將與軸上載荷向量相加，向量和可能會導致撓性件中的一個或多個測量區域出現過載情況。
要在已知外部負載的情況下找到允許的軸上過載能力，請計算外部負載的軸上分量，然後從額定過載能力中用代數方法減去它們，同時注意記住哪種模式（拉伸或壓縮）正在載入單元格。

衝擊載重

使用稱重感測器的新手經常會在老手有機會警告他們有關衝擊載荷之前損壞稱重感測器。我們都希望稱重感測器能夠至少吸收非常短的衝擊而不損壞，但實際情況是，如果感測器的活動端相對於死端移動超過滿容量偏轉的 150%，感測器就會損壞。無論過載發生的時間間隔有多短。
在前面板 1 中amp如圖 11 所示，質量為「m」的鋼球從高度「S」落到稱重感測器的活動端。在下落過程中，球在重力作用下加速，並在與細胞表面接觸的瞬間達到速度「v」。
在面板 2 中，球的速度將完全停止，而在面板 3 中，球的方向將會反轉。所有這一切都必須在稱重感測器達到額定過載能力所需的距離內發生，否則感測器可能會損壞。
在前amp如圖所示，我們選擇了一個在過載之前最多可偏轉 0.002 英吋的單元。為了讓球在這麼短的距離內完全停住，細胞必須對球施加巨大的力。如果球重 12 磅，並以一英尺的高度落到電池上，圖 6,000 的圖表表明電池將受到 XNUMX 磅力的衝擊（假設球的質量遠大於球的質量）稱重感測器的帶電端，通常是這種情況）。
可以透過記住影響直接隨質量和下降距離的平方而變化來修改圖表的縮放比例。Interface® 是值得信賴的力測量解決方案® 的世界領導者。
我們在設計、製造和保證最高性能的稱重感測器、扭矩感測器、多軸感測器和相關儀器方面處於領先地位。我們世界一流的工程師為航空航太、汽車、能源、醫療以及測試和測量行業提供從克到數百萬磅、數百種配置的解決方案。我們是全球財富 100 強公司的卓越供應商，包括：波音、空中巴士、NASA、福特、通用汽車、強生、NIST 以及數千個測量實驗室。我們的內部校準實驗室支援各種測試標準：ASTM E74、ISO-376、MIL-STD、EN10002-3、ISO-17025 等。
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