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衡器电子秤称重传感器引起各种误差2

2021-02-18 11:12:26      点击:
(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。
(4)机械加工形位公差的影响,突出的表现在圆环式、板环式弹性元件上,当两端加载螺纹不同心时,真正通过弹性元件的载荷值与计量轴线偏 α 角度,随着载荷的增加,α 夹角逐渐变小,有效计量载荷不断加大,使输出呈递增的抛物线。卸载后各连接件未恢复到初始位置而产生滞后误差。
(5)称重传感器弹性元件上的保护外壳、密封膜片应设计合理尽量不影响灵敏度。若有不正确接触或承受一定应力,都会产生阻滞弹性元件变形恢复的力或力矩,而产生滞后误差。
(6)合理选择弹性元件金属材料的热处理工艺,减小材料本身的弹性滞后。例如应用最为广泛的合金钢 40CrNiM0A,其弹性滞后与其微观组织有关,不同的回火温度得到不同的金相组织,有不同的弹性滞后,其值最大可达 0.11%。
3. 重复性误差
重复性误差是指在相同的负荷和相同的环境下,对同一被测量进行连续多次试验所得输出读数之间的差值。各条特性曲线越靠近,重复性就越好。重复性的好坏与许多随机因素有关,如环境温度、大气压力变化等。
4. 蠕变误差
重传感器的原理和制造工艺决定了其传感元件电阻应变计是用环氧树脂等应变胶粘剂粘贴在弹性元件上,尽管为了提高应变胶粘剂的剪切强度,胶粘剂层已经非常薄了,但是弹性元件受载后还会产生蠕变和滞后误差。大量试验和测试结果表明称重传感器的蠕变和滞后误差的大小和方向是不可预测的,弹性元件金属材料表现为正蠕变,即在某一种负荷作用下产生的变形有随着时间增大的趋势;而应变胶粘剂的胶层有使电阻应变计敏感栅的变形随着时间小的趋势,这种应力松弛产生的是负蠕变。称重传感器的蠕变误差,基本上就是这两种蠕变效应的叠加。概括起来,称重传感器的蠕变误差就是若干个依赖于时间效应的综合。主要是以下几种效应产生蠕变误差:
(1)弹性元件金属材料中,支配弹性后效(蠕变)因素的综合,其因素主要是材料的组织结构、热处理工艺过程、稳定处理工艺、最大工作应力等的影响。
(2)弹性元件表面应变传递给应变胶粘剂胶层和电阻应变计基底时,产生较大剪应力,使其黏弹性减弱出现黏滞流动(电阻应变计基底与胶层之间发生滑动)效应,即黏弹性后效的影响。
(3)电阻应变计敏感栅材料由于扩散而引起原子重新分布,使蠕变抗力减小。
(4)弹性元件绝热温度变化的热弹性效应影响。圆柱式弹性元件在正应力作用下产生单位体积变化,承受拉应力使体积增大,承受压应力使体积减小。如果加载迅速,没有热量流进、流出,纯拉伸作用在弹性元件内产生绝热降温,纯压缩作用在弹性元件内产生绝热升温。两者均产生绝热应变,它和等温应变之差与几何形状无关,而仅仅取决于材料的不同,对于圆柱式称重传感器要达到热平衡大约需要 20 分钟。
综合国内外称重传感器制造企业对蠕变效应的研究结果得出:敏感栅长的电阻应变计比短的更适用;热固型应变胶粘剂比冷固型好;在保证绝缘电阻的前提下胶粘剂层越薄蠕变和滞后误差越小,一般胶粘剂层的厚度以 5μm 为好;对粘贴在弹性元件上的电阻应变计进行老化处理比不进行处理蠕变小。对固有蠕变较大的弹性元件多采用蠕变自补偿电阻应变计。
5. 最大允许误差与误差包络线
称重传感器在组装各种电子衡器时,必须与该电子衡器的国家标准相匹配,其原则是:当称重传感器的性能特征与允许误差带相拟合时,该称重传感器的各项误差必须综合考虑。这就是说,称重传感器可能具有小的非线性误差和滞后误差,而具有适中的温度误差;相反,可能具有小的温度误差,而且具有适中的非线性误差和滞后误差。因此必须给出称重传感器的最大允许误差与误差包络线来作为限制因素。使用了误差包络线这个概念后,就允许人们对构成测量总误差的各个分量进行平衡,从而获得所期望的最终结果。按照国际法制计量组织(OIML)R60 国际建议和 GB /T7551—2008《称重传感器》国家标准规定,称重传感器的最大允许误差限与误差包络线有关,即所有偏差之和应处于总误差带之内。
2008《称重传感器》国家标准的定义为:“误差包络线以一条直线为基准,此直线是以 20 ℃时载荷试验中的两个输出确定的,一个是最小载荷输出,另一个是递增加载时取得的量程的 75% 载荷时称重传感器的输出”。求 75% 载荷输出与最小载荷输出拟合直线的方法,通常称为 75% 载荷点连线法,即在称重传感器的 n 个测试点中,将最小载荷输出点与 75% 载荷输出点连为直线,以此直线作为最佳拟合直线求得各载荷点参比值,用以计算称重传感器误差。此误差包络线包括非线性、滞后引起的误差,以及在规定误差范围由于温度对称重传感器灵敏度的影响所引起的误差。可见减小称重传感器的非线性、滞后误差和零点、灵敏度温度误差对控制称重传感器最大允许误差的重要性。
三、称重传感器温度误差分析
1. 零点温度误差分析
称重传感器在无外载荷作用时的输出称为零点输出,此输出受环境温度影响,随温度变化而变化称为零点温度漂移。影响零点温度漂移的因素很多,归纳起来主要有:
(1)弹性元件、电阻应变计、应变胶粘剂的线膨胀系数不同,弹性元件的纵向和横向膨胀率不同,当环境温度发生变化时,都会产生不同程度的热胀或冷缩,引起电阻变化。
(2)电阻应变计敏感栅材料的电阻温度系数不为零,各电阻应变计之间又有一定的分散度,而敏感栅材料的电阻率也随着环境温度而变化,这都会引起电阻值的改变。
(3)由于各电阻应变计的引出线及连接导线长度不同,温度发生变化可引起电桥电路导线的电阻变化。
(4)在将电阻应变计组焊成电桥电路时,所用不同材料(如康铜丝、锰铜丝、镍丝等)焊点之间存在着较小的热电势,而引起电阻变化。
(5)弹性元件与保护外壳材料的温度系数不同,弹性元件曲率的影响,大气压力波动等虽然影响较小,也会使电阻值发生微小变化。
上述各因素随温度变化直接影响称重传感器的输出,产生较大的零点温度漂移。就是采用温度自补偿电阻应变计,由于其特性的分散以及粘贴、加压、固化等工艺影响,仍不能全部抵消引起零点温度漂移的各因素。减小零点温度漂移最有效的方法,就是对称重传感器逐个进行零点温度补偿。
2. 灵敏度温度误差分析
早在 20 世纪 40 年代中期,美国和前苏联学者就注意到了温度对测力指示仪器示值的影响,正确的分析了引起机械测力环温度误差的原因,并准确测量出其修正系数为 0.027% /℃,时至今日还在继续为各国所使用。同样以金属材料为弹性元件组成的称重传感器,其温度误差与之非常相似,
只是影响因素更复杂一些,因为除弹性元件外还有电阻应变计、补偿电阻、测量电路的影响。
不论是利用正应力还是利用切应力的称重传感器,其灵敏度温度误差是一个系统误差,起主要影响的因素是弹性模量 E 的温度系数 βE。因 βE 为负值,所以环境温度升高,弹性元件材料的弹性模量 E 降低,称重传感器的灵敏度增大,而产生灵敏度温度误差。γ 的影响主要取决于电阻应变计敏感栅的电阻合金材料,在一定程度上取决于应变粘接剂、固化工艺规范及敏感栅的几何形状。如果弹性元件材料,电阻应变计敏感栅和基底材料以及制造工艺都一样,圆环式结构比圆柱式和剪切梁式结构的灵敏度温度误差要小一些,大约小 6%左右。这说明称重传感器灵敏度温度误差的影响因素,主要是弹性元件材料的弹性模量 E,其次是电阻应变计灵敏系数和制造工艺,在相当小的程度上
与称重传感器弹性元件的结构有关。
四、建立数学模型分析称重传感器的温度误差
应用现代科学技术和分析手段,采用三维数字设计技术是称重传感器结构设计的发展方向。运用网络技术改造生产工艺,实现生产工序和控制系统测试数据自动采集、智能补偿等生产线模式是生产工艺创新的主要方向。面对设计、工艺技术的进步,传统的、就事论事的误差分析方法,已跟不上称重传感器技术发展的需要。必须学习和掌握现代误差分析手段,建立称重传感器各种特性的数学模型,通过计算机预测和推算各类温度误差。国内外各制造企业对称重传感器温度误差的控制,都是采用智能温度补偿方法。即为了减小零点温度误差对批量生产的称重传感器逐个进行零点温度补偿;为了控制灵敏度温度误差,在弹性元件材料、热处理工艺、电阻应变计、生产工艺流程都保持不变的前提下,采用抽样测试得出补偿电阻值,进行统一补偿的方法。国内外称重传感器制造企业多年的实践经验告诉我们,上述两种温度补偿方法是比较科学合理、简便可行的。零点温度、灵敏度温度补偿技术的一个重要前提是:输出与温度变化成线性关系,即补偿精度取决于补偿前的输出随温度变化的非线性程度。通过分析称重传感器的测试数据,来确定各个零点温度漂移影响因素所起到的作用,以及它们之间的相互关系是非常困难的。因为各个影响因素同时作用而产生单一的称重传感器输出,若将此输出分解成诸多项,每项分别表示某一因素的作用是不可能的。解决此问题的有效方法是建立称重传感器温度特性的数学模型,用数学公式表示各种影响因素,推导出理论输出值。若理论输出与实际输出比较一致,就可以在计算机上进行试验,预判各单一因素的影响。

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