一种量化监控大型衡器传感器故障的方法探讨

【摘 要】通过对大型衡器传感器的原理、构造的介绍、研究，引出大型衡器传感器故障产生的可能原因和部位，进而对可能产生的故障采取相应的监测、判断等量化防范措施，最后提出传感器监控仪的设计构想。

【关键词】大型衡器；传感器；原理；故障原因；量化监控；防范监督方法；传感器监控仪设计

传感器是衡器的重要组成部分，它把被称物体的重量转换成电信号，经过处理后显示给用户计量数据。可以说，传感器是衡器称重数据的渊源，是衡器的心脏，它的正常工作与否，直接关系到衡器计量数据的准确性和可靠性。

由于传感器的外观构造密闭，以及衡器的使用现场约束等因素的制约，我们不可能直接采用肉眼或常用工具等直观的方法预测故障、发现故障、检测故障、排除故障，这就给衡器管理工作造成了很大的盲目性。衡器传感器的使用过程和衰变程度无法预知，很容易造成传感器突然坏掉，衡器计量性能丧失，无法正常使用。特别是对于大型衡器，因为计量任务的繁重和传感器安装位置的限制，再加上材料报批、审核、采购等都需要一定的时间，这样就给衡器的及时恢复使用造成了时间上的紧迫要求，势必要耽误一定量的计量任务和工作。

为了能够及时了解和掌握大型衡器传感器的健康状态，做到设备故障的提前预知、健康状态的阶段掌握，我们提出探讨一种能够量化监控大型衡器传感器健康状态的方法以及装置，从而达到量化监控大型衡器工作状态的目的。

1.衡器传感器的原理、构造

1.1原理

传感器就是把非电量力值转换成各种电参量，然后，通过电参量的测量来确定力值的器件。其工作原理示意图如下：

图1 传感器工作原理示意图

现在企业内部常用的传感器是电阻应变片式称重传感器，这种传感器是由弹性体和一定数量的电阻应变片组成，该电阻应变片都是用应变胶粘贴在弹性体上的，要求它和弹性体有同步应变。其工作原理为：当外力作用于传感器的弹性体上的时候，使该弹性体产生相对形变，根据虎克定律，在弹性限度内，该外力的大小与弹性体的应变成正比，其形变使内部电桥产生电信号输出，这样使得输出的电信号与外力成正比，可以用下式表示为：

W∝ε∝R/R∝U/U

式中：

W——外力；

ε——弹性体的应变；

R/R——电阻应变片阻值相对变化量；

U/U——传感器输出灵敏度。

其外形结构依据使用条件、工作原理的不同而存在较大的差异，现代企业常用的电阻应变片式称重传感器的外形一般如下图所示：

图2电阻应变片式称重传感器一般外型

2.衡器传感器故障分析及方法的提出

由衡器传感器的工作原理可知，传感器的构造涉及到力学、电学、化学等学科，传感器故障可能的产生原因有：

（1）由弹性体引起。

（2）由电桥及线路引起。

（3）因传感器粘贴工艺引起。

值得注意的是：故障不管是以上哪个原因引起的，其现象都要通过电桥的不平衡输出显示出来。抓住这个特点，我们就可以寻找一种方法，有针对性的采取一种方式，把传感器输出信号的变化情况量化，分步骤、分阶段的了解和掌握传感器的病变过程，做到对传感器“亚健康”状态的掌控，从而就掌握了磅秤“心脏”的健康状态，最终达到量化监控衡器运行、减少材料开支和计量损失、为生产赢得时间的目的。

经验表明：大型衡器传感器零点输出的大小，是由其设计质量、制作工艺的质量等条件的集中反映，而这些因素就构成了新购传感器的潜在故障的内因。同时，这也就解释了为什么有些新装的未开封的传感器计量效果不好、稳定性较差的原因。

其实，依据传感器零点的特性，我们可以把传感器空磅和空载时作为一个特例，依据传感器空磅和空载时输出的信号变化，摸索传感器的信号输出变化规律，设定一定的变化标准，依次采用监测、跟踪、分析的方法，对衡器各个使用工况下、各个工作阶段的不同状态进行监控，从而就达到了量化监控衡器传感器健康状况的目的。这种思路特别是对于大型衡器传感器的管理和监控有很好的效果。

3.大型衡器传感器健康监测和判断步骤

3.1监测

（1）对传感器空载时的监测。

在实际称重工况条件下，将该衡器的每只传感器置于空载状态，测量每只传感器在一定激励电压下的输出值，按位置编号，并做好位置对应记录和电压输出记录。此数据即为传感器空载时的输出值。

同时，可测量传感器的输入阻抗、输出阻抗及空载输出，并与传感器出厂时厂家给定的值相比对，观察数据的变化。这样可以衡量传感器在安装前的健康状态是否良好，以及可以确定传感器使用中达到了何种亚健康状态。

（2）对传感器空磅时的监测。

在实际工况条件下，在衡器承载器均与传感器较好接触，衡器各个工作所需的部件均在正常使用状态下，测量该秤每只传感器在激励电压下的输出值，按位置编号填入上述记录相应数据表格内。此数据即为传感器空磅时的输出值。

（3）在标准重量条件下的监测。

在实际称重工况条件下，在一定的标准重量（每次对应恒定的标准重量）加载的作用力下，测量每只传感器的输出值，按照同样的方法把数据填入上述相应表格内。也可每次用多个标准重量值，一一进行测量，并做好对应记录。此数据即为传感器标重时的输出值。具体记录格式可参照图3所示：

图3传感器监测数据记录表

3.2跟踪

根据使用环境、频次、评价状态等具体信息，确定合适的监测间隙，从而实现对每只传感器的空磅输出、空载输出、标重输出进行量化监控。具体方法为：

（1）利用生产时间间隙，对衡器的每只传感器的空载输出、空磅输出进行定期测量，如可能的话，最好在一定的标准重量下对每只传感器的标重输出电压，作好记录，并与原来的做好比较。

（2）当传感器的空磅输出、空载输出、标重输出中任何一项变化较大时，应缩短跟踪时间间隔；如数据都比较稳定，则可适当延长时间间隔。

（3）在计量任务比较繁重时，可采用同一载荷在秤的不同点或者不同称量段进行自身比对，如果计量数据超过允许误差，则再测量每只传感器的空磅输出、空载输出，与原来记录作比较，就可很容易得到亚健康状态传感器的位置。

（4）如发现了哪个传感器确实存在了亚健康状态的现象时，我们应缩小测量时间间隔，加大监测的力度，作好记录，做好比对，密切注意数据的变化趋势。

3.3分析

根据以上记录数据，结合实际生产情况，我们可以去除异常数据，而后，可以根据数据的具体变化情况，采用一定的分析统计方法，有针对性的确定故障的类型、故障的部位，或者预测将要发生“病变”的传感器具置，以及该传感器的实际工作状态，从而很快找到故障传感器，排除故障。

根据以上方法的分析结果，我们可以结合各自的生产实际状况，结合长时间的监测、跟踪，找到适合于自身衡器的变化规律，再经过实际检验，就可以形成具有各自单位衡器管理特色的诊断指标，从而达到指导大型衡器计量工作、服务生产、节本增盈的效果。

4.传感器监控仪的设计构想

根据如上所述的监测、跟踪方法，我们可以借助于现代化的电子、信息、网络等手段，设计一种可以达到监测、跟踪的目的，同时又不占用人力资源、可以自动报警、平时加以适当管理就可自动实现监测跟踪的效果。

设想传感器监控仪连接图如下：

图4传感器监控仪连接图

如果传感器监控仪能够设计成功的话，必将对现用的大型衡器的现场管理起到极大的推动作用，降低衡器管理的人力资源投入，提高设备使用中的健康透明度，提高衡器管理的前瞻性和主动性，延长衡器运行时间，量化监控衡器运行状态，大大降低衡器故障的排除成本。