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电子天平不准了-称重传感器主要单项误差分析
2021-02-09 10:11:05 点击：
本文对计量性能影响较大的非线性、滞后、蠕变等单项误差和零点温度、灵敏度温度误差，分析了组装电子衡器需要的最大允许误差与误差包络线。通过建立称重传感器温度特性的数学模型和温度视应变数学拟合公式，分析电阻应变计热输出、灵敏系数 K 对称重传感器温度性能及其非线性误差的影响。北京电子秤网http://www.scalecn.cn/
1. 非线性误差
称重传感器最重要的机械部分是弹性元件，其功能是对作用载荷的反作用，同时把载荷的作用集中于一个独立的、最好是均匀的应变场内，以便粘贴电阻应变计。理想弹性元件的特点应当是载荷 P 和应变 ε 成较严格的线性关系，实现此目标的困难在于结构设计与计算上和一些经济上的限制。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。
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.
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
应变式称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减小的趋势，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。对于称重传感器的误差包络线，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。
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。称重传感器结构设计先进性和合理性的一个重要标志，就是尽量减小弹性元件固有的非线性误差，使其在工作中性能波动减至最小，同时还应该通过有效的电路补偿与调整减小各种温度效应引入的误差，提高称重传感器的准确度、稳定性和可靠性。利用数学模型对引起称重传感器非线性、滞后、蠕变等单项误差和零点、灵敏度温度误差的诸因素进行分析和推算，已成为现代称重传感器设计和误差分析的重要手段。
1. 非线性误差
称重传感器最重要的机械部分是弹性元件，其功能是对作用载荷的反作用，同时把载荷的作用集中于一个独立的、最好是均匀的应变场内，以便粘贴电阻应变计。理想弹性元件的特点应当是载荷 P 和应变 ε 成较严格的线性关系，实现此目标的困难在于结构设计与计算上和一些经济上的限制。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。
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.
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
应变式称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减小的趋势，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。对于称重传感器的误差包络线，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。
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。称重传感器结构设计先进性和合理性的一个重要标志，就是尽量减小弹性元件固有的非线性误差，使其在工作中性能波动减至最小，同时还应该通过有效的电路补偿与调整减小各种温度效应引入的误差，提高称重传感器的准确度、稳定性和可靠性。利用数学模型对引起称重传感器非线性、滞后、蠕变等单项误差和零点、灵敏度温度误差的诸因素进行分析和推算，已成为现代称重传感器设计和误差分析的重要手段。
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