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电子衡器电子秤称重传感器引起各种误差
2021-02-18 10:59:12 点击：
传感器技术的最大特点是不断纳入新技术、新材料和新工艺，开发新品种、扩展新功能。在我国物联网 + 产业和人工智能技术的强力牵引下，传感器技术已经进入由传统型向全新型转型发展的关键阶段，未来传感器技术发展将呈现出微型化、数字化、多功能化、智能化和网络化等趋势，传感器行业将迎来黄金发展期。为适应物联网、“中国制造 2025”和人工智能技术对称重传感器的新要求，国内外处于市场引导者地位的称重传感器制造企业，纷纷进行结构设计模式创新、制造工艺模式创新、形成数字化称重传感器技术体系和基础工艺支撑体系，满足一部分产品转型升级的需要。称重传感器由传统型向全新型的转型发展，从本质上来讲，它是基于市场理念的一场体制和机制改革，也是参与市场竞争的必然选择。今后国内外称重传感器制造企业，在市场上比拼的重点将是提升称重传感器的技术含量，扩大应用范围，降低生产成本，满足物联网、“中国制造 2025”和人工智能技术的需求。为此，必须深入研究和分析称重传感器的有关特性所产生的各项误差，并准确分析出一些限制因素，找出能够减小这些特性产生误差的各种方法。
称重传感器主要单项误差严格的说，称重传感器承受的载荷 P 与弹性元件应变 ε 的转换关系是非线性的，引起非线性的因素很多，诸如弹性元件材料的非线性；弹性元件与引入载荷的压头、承受载荷的底垫之间不稳定的摩擦力；局部应力集中干扰应变区，以及弹性元件在载荷作用下几何尺寸改变和受力点、受力臂变化等。前者可以通过正确选择弹性元件材料，合理选用热处理工艺，以及对引入载荷的压头、承受载荷的底垫采用无摩擦设计，避免弹性元件应变区以外有最高应力点和应力集中等加以解决；后者为弹性元件面积效应和泊松比效应影响，弹性元件受载后几何尺寸改变或受力点、受力臂变化引起可逆的有规律的非线性误差，必须通过线性补偿加以解决。为此必须研究各种结构弹性元件的固有非线性误差，现以柱式、悬臂梁式称重传感器为例进行分析。
可以推导出承受拉向负荷的圆柱式称重传感器的固有非线性误差为：
（1）承受压向负荷的圆柱式称重传感器的固有非线性误差为：
（2）悬臂梁式称重传感器的固有非线性误差为：
合理的热处理工艺，才能提高弹性元件应变的稳定性，这是减小称重传感器非线性误差的基础和关键。
影响称重传感器非线性误差的主要因素：
（1）弹性元件结构设计不合理，应变区的应变程度过高，应变区以外还有最大应力点或应力集中处，因而导致变形大，必然伴随出现一定程度的非线性影响；
（2）弹性元件应变区的设计与计算不符合圣文南力的扩散原理，应力分布不均匀，有接触应力影响；
（3）整体型或集成化结构弹性元件，支承区域刚性差或柔性隔离设计不合理，造成固有线性差；
（4）弹性元件承载、加载边界条件的影响，主要是底部支承面积、根部固定刚性，压垫、压头的表面形状、硬度和摩擦系数，螺纹传递载荷时的螺纹加工精度和螺纹啮合面积等设计、选择不合理，引入了附加载荷和偏心载荷；
（5）弹性元件金属材料与热处理工艺规范选择不当，使应变区的硬度过高或过低，材料未能达到设计的弹性性能，材料综合性能未达到相当于功能材料的有关要求；
（6）关键制造工艺流程中存在某些细节差错，例如粘贴电阻应变计胶粘剂层较厚，影响弹性件应变有效传递；应变胶粘剂固化和后固化温度和保温时间有误，应变胶粘剂未能充分固化使其弹性模量达不到预定要求；
（7）小量程弹性元件表面防护与密封材料质量差或涂敷工艺不合理，过厚、过硬参与刚度，直接影响应变梁变形；
（8）圆柱式弹性元件的线性补偿精度偏低，半导体线性补偿电阻应变计温度系数大或线性补偿微调电阻精度低、温度系数大；
（9）双剪梁型（桥式）弹性元件两端紧固螺栓变形或松动，垫圈变形，底座刚度偏小等，均可产生非线性误差；
（10）对于焊接密封结构，焊接膜片的材料、形状、厚度和焊接工艺影响，使膜片分流的灵敏度偏大且与载荷不呈线性关系。
2. 滞后误差
滞后误差通常定义为：对同一外载荷值，称重传感器进程（输入量增大）与回程（输入量减小）输出测量值之差。也就是说，对应同一大小的输入信号，称重传感器正、反行程的输出信号的大小却不相等，这就是滞后误差。大多数称重传感器的滞后误差回线通常为雪茄形，回线的宽度由加荷
循环的幅度决定。测量滞后时，总是存在蠕变和蠕变恢复所产生的某些影响，因此要求滞后试验应在很短的时间内完成。
称重传感器滞后误差与弹性元件的结构和热处理工艺、电阻应变计基底和应变胶粘剂层的厚度有较大关系，归纳起来影响滞后误差的主要因素有：
（1）弹性元件承载面与下压垫接触面设计不合理，主要是接触面积过大，压垫材料摩擦系数大等。当弹性元件受载时，底面必然产生一个向外移动的力矩，在卸掉载荷时由于底面摩擦力矩存在，使底面向回移动的力矩小于变形时向外移动的力矩，阻滞了弹性元件变形的恢复而产生滞后误差。
（2）弹性元件应变区与支承边界设计不合理，固有滞后大，比较典型的结构就是轮辐式称重传感器。轮箍变形位移量与其刚度密切相关，刚度大，变形位移小，底摩擦作用时间短，轮辐应变恢复快，滞后小，反之滞后大。因此，轮毂、轮箍刚度应足够大，确保轮辐与轮毂、轮箍连接处转角为零。
（3）双剪梁型称重传感器边界条件对滞后的影响较大，其双剪梁弹性元件与底座接触面的滑动是产生滞后误差的重要原因。在加、卸载过程中，双剪梁弹性元件与底座滑动方向相反，因此作用在弹性元件上的摩擦力方向也相反，正是此摩擦力造成应变区剪应力变化。接触面摩擦系数大，随着载荷的增加滞后的绝对值由小变大。盲孔中心到弹性元件支撑端面的距离太小，摩擦力对应变区影响也较大。
称重传感器主要单项误差严格的说，称重传感器承受的载荷 P 与弹性元件应变 ε 的转换关系是非线性的，引起非线性的因素很多，诸如弹性元件材料的非线性；弹性元件与引入载荷的压头、承受载荷的底垫之间不稳定的摩擦力；局部应力集中干扰应变区，以及弹性元件在载荷作用下几何尺寸改变和受力点、受力臂变化等。前者可以通过正确选择弹性元件材料，合理选用热处理工艺，以及对引入载荷的压头、承受载荷的底垫采用无摩擦设计，避免弹性元件应变区以外有最高应力点和应力集中等加以解决；后者为弹性元件面积效应和泊松比效应影响，弹性元件受载后几何尺寸改变或受力点、受力臂变化引起可逆的有规律的非线性误差，必须通过线性补偿加以解决。为此必须研究各种结构弹性元件的固有非线性误差，现以柱式、悬臂梁式称重传感器为例进行分析。
可以推导出承受拉向负荷的圆柱式称重传感器的固有非线性误差为：
（1）承受压向负荷的圆柱式称重传感器的固有非线性误差为：
（2）悬臂梁式称重传感器的固有非线性误差为：
合理的热处理工艺，才能提高弹性元件应变的稳定性，这是减小称重传感器非线性误差的基础和关键。
影响称重传感器非线性误差的主要因素：
（1）弹性元件结构设计不合理，应变区的应变程度过高，应变区以外还有最大应力点或应力集中处，因而导致变形大，必然伴随出现一定程度的非线性影响；
（2）弹性元件应变区的设计与计算不符合圣文南力的扩散原理，应力分布不均匀，有接触应力影响；
（3）整体型或集成化结构弹性元件，支承区域刚性差或柔性隔离设计不合理，造成固有线性差；
（4）弹性元件承载、加载边界条件的影响，主要是底部支承面积、根部固定刚性，压垫、压头的表面形状、硬度和摩擦系数，螺纹传递载荷时的螺纹加工精度和螺纹啮合面积等设计、选择不合理，引入了附加载荷和偏心载荷；
（5）弹性元件金属材料与热处理工艺规范选择不当，使应变区的硬度过高或过低，材料未能达到设计的弹性性能，材料综合性能未达到相当于功能材料的有关要求；
（6）关键制造工艺流程中存在某些细节差错，例如粘贴电阻应变计胶粘剂层较厚，影响弹性件应变有效传递；应变胶粘剂固化和后固化温度和保温时间有误，应变胶粘剂未能充分固化使其弹性模量达不到预定要求；
（7）小量程弹性元件表面防护与密封材料质量差或涂敷工艺不合理，过厚、过硬参与刚度，直接影响应变梁变形；
（8）圆柱式弹性元件的线性补偿精度偏低，半导体线性补偿电阻应变计温度系数大或线性补偿微调电阻精度低、温度系数大；
（9）双剪梁型（桥式）弹性元件两端紧固螺栓变形或松动，垫圈变形，底座刚度偏小等，均可产生非线性误差；
（10）对于焊接密封结构，焊接膜片的材料、形状、厚度和焊接工艺影响，使膜片分流的灵敏度偏大且与载荷不呈线性关系。
2. 滞后误差
滞后误差通常定义为：对同一外载荷值，称重传感器进程（输入量增大）与回程（输入量减小）输出测量值之差。也就是说，对应同一大小的输入信号，称重传感器正、反行程的输出信号的大小却不相等，这就是滞后误差。大多数称重传感器的滞后误差回线通常为雪茄形，回线的宽度由加荷
循环的幅度决定。测量滞后时，总是存在蠕变和蠕变恢复所产生的某些影响，因此要求滞后试验应在很短的时间内完成。
称重传感器滞后误差与弹性元件的结构和热处理工艺、电阻应变计基底和应变胶粘剂层的厚度有较大关系，归纳起来影响滞后误差的主要因素有：
（1）弹性元件承载面与下压垫接触面设计不合理，主要是接触面积过大，压垫材料摩擦系数大等。当弹性元件受载时，底面必然产生一个向外移动的力矩，在卸掉载荷时由于底面摩擦力矩存在，使底面向回移动的力矩小于变形时向外移动的力矩，阻滞了弹性元件变形的恢复而产生滞后误差。
（2）弹性元件应变区与支承边界设计不合理，固有滞后大，比较典型的结构就是轮辐式称重传感器。轮箍变形位移量与其刚度密切相关，刚度大，变形位移小，底摩擦作用时间短，轮辐应变恢复快，滞后小，反之滞后大。因此，轮毂、轮箍刚度应足够大，确保轮辐与轮毂、轮箍连接处转角为零。
（3）双剪梁型称重传感器边界条件对滞后的影响较大，其双剪梁弹性元件与底座接触面的滑动是产生滞后误差的重要原因。在加、卸载过程中，双剪梁弹性元件与底座滑动方向相反，因此作用在弹性元件上的摩擦力方向也相反，正是此摩擦力造成应变区剪应力变化。接触面摩擦系数大，随着载荷的增加滞后的绝对值由小变大。盲孔中心到弹性元件支撑端面的距离太小，摩擦力对应变区影响也较大。
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