Влияние ударных нагрузок на тензодатчики и стратегии защиты
В таких областях, как промышленное взвешивание, логистика и автоматизированное производство, тензодатчики служат основными измерительными компонентами — их точность и стабильность напрямую определяют качество работы всей системы. Однако частые ударные нагрузки, возникающие в практических применениях, часто приводят к необратимому повреждению тензодатчиков, влияя на точность результатов измерений и даже сокращая срок службы устройства. В этой статье будет подробно проанализировано конкретное влияние ударных нагрузок различной величины на тензодатчики и предложены научные и эффективные решения по смягчению последствий.
Основными компонентами тензодатчика являются упругое тело и тензорезистор. Принцип его работы заключается в следующем: упругое тело деформируется под воздействием силы, заставляя тензорезистор изменять сопротивление, которое затем преобразуется в данные о весе посредством обработки сигнала. Величина ударной нагрузки варьируется, что приводит к значительным различиям в степени повреждения и проявлениях неисправностей датчика. В частности, ее можно разделить на три диапазона:
Ударная нагрузка низкого диапазона обычно проявляется в виде кратковременных, незначительных внешних ударов — таких как легкий контакт при медленном падении материалов или небольшая вибрация во время работы оборудования. В краткосрочной перспективе этот тип ударной нагрузки не приведет к прямому повреждению датчика, но его потенциальное воздействие нельзя игнорировать:
- С одной стороны, частые удары низкого диапазона поддерживают упругое тело датчика в состоянии повторяющейся микродеформации. Со временем это вызывает «эффект усталости» упругого тела, приводя к постепенному изменению его коэффициента упругости, что приводит к постоянным проблемам с точностью. Например, датчик с первоначальной погрешностью ≤±0,1% может постепенно увеличить свою погрешность до более чем ±0,5%, не соответствуя требованиям высокоточного взвешивания.
- С другой стороны, удары низкого диапазона могут повлиять на стабильность соединения между тензорезистором и упругим телом. Хотя тензорезистор не отвалится в краткосрочной перспективе, клей постепенно состарится под воздействием повторяющихся ударов, снижая эффективность передачи деформации. Это приводит к снижению линейности выходного сигнала датчика, что приводит к «колебаниям данных».
Ударная нагрузка среднего диапазона является типичным «вредным ударом», обычно наблюдаемым в таких сценариях, как быстрая загрузка материала, инерционные удары при запуске/остановке оборудования или прямое размещение небольших и средних заготовок. Этот тип ударной нагрузки напрямую повреждает основные компоненты датчика:
- Для упругого тела: ударная нагрузка среднего диапазона может превысить его «безопасный порог» для упругой деформации, вызывая локальную пластическую деформацию упругого основания — даже если нагрузка снята, датчик не может вернуться в исходное состояние. Это приводит к фиксированному отклонению нулевой точки (например, отображение «-2 кг» при отсутствии нагрузки), и погрешность увеличивается пропорционально увеличению веса во время загрузки.
- Для тензорезистора: ударная нагрузка среднего диапазона может привести к растрескиванию чувствительной сетки тензорезистора или к отсоединению тензорезистора от упругого тела. Это напрямую приводит к прерыванию сигнала или ненормальному выходу, проявляющемуся как «сбой сброса нуля», «переполнение дисплея» или даже полная функциональная неисправность.
- Кроме того, ударная нагрузка среднего диапазона может повредить герметизирующую конструкцию датчика, позволяя пыли и влаге проникать внутрь, ускоряя коррозию тензорезистора и схемы и, следовательно, сокращая срок службы датчика.
Ударная нагрузка высокого диапазона является «разрушительным ударом», чаще всего возникающим в экстремальных сценариях, таких как случайное падение тяжелых предметов, столкновения оборудования или перегрузочные удары (например, внезапное отсоединение компонентов крана, прямое воздействие крупных заготовок на датчик). Этот тип ударной нагрузки мгновенно превышает максимальную грузоподъемность датчика, что приводит к катастрофическим, необратимым повреждениям:
- Упругое тело может сломаться напрямую, тензорезистор может полностью сгореть или внутренняя плата может треснуть — делая датчик полностью списанным и не подлежащим ремонту.
- В то же время ударная нагрузка высокого диапазона может вызвать цепную реакцию: например, если датчик сломается, весовая платформа теряет опору, что приводит к наклону или обрушению платформы, что, в свою очередь, повреждает окружающее оборудование или даже приводит к травмам.
- Даже если некоторые датчики не полностью ломаются под воздействием ударной нагрузки высокого диапазона, они будут страдать от необратимых серьезных неисправностей (например, внутренние трещины в упругом теле, полное выгорание тензорезистора, обрыв сигнальных кабелей). Эти скрытые неисправности являются скрытыми и могут привести к внезапному сбою при последующем использовании, создавая значительные риски для безопасности.
Чтобы устранить последствия ударных нагрузок в разных диапазонах, нам необходимо объединить сценарии применения и разработать систематические решения по смягчению последствий с трех сторон — предотвращение ударов, буферизация ударов и оптимизированный выбор датчика — для обеспечения стабильной работы датчика.
Предотвращение ударов является основой смягчения последствий. Это требует минимизации ударных нагрузок путем оптимизации рабочих процедур и конструкции оборудования:
- В промышленном производстве (сценарии загрузки материала): изменить «быструю, прямую» загрузку на «поэтапную загрузку» — например, установить буферные пластины или клапаны регулирования потока на выходе бункера над датчиком, чтобы материалы падали медленно, уменьшая ударные нагрузки до уровня ниже низкого диапазона.
- В сценариях размещения заготовок: использовать автоматизированные роботизированные манипуляторы с системами управления усилием; посредством гибкого механического управления размещать заготовки на весовой платформе «легким касанием», чтобы избежать жестких ударов.
- В сценариях логистики и транспортировки: стандартизировать процессы погрузки грузов (запретить «бросание грузов») и установить «устройства позиционирования грузов» на весовой платформе транспортных средств, чтобы предотвратить смещение груза (и дополнительные удары), вызванное тряской.
- Кроме того, усилить обучение операторов, уточнить номинальный диапазон весового оборудования и запретить операции перегрузки — принципиально избегая возникновения ударных нагрузок высокого диапазона.
Для неизбежных ударных нагрузок установите буферные устройства для поглощения энергии и уменьшения фактической силы, воздействующей на датчик. Общие методы буферизации включают три типа:
-
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!