衡器電子秤稱重傳感器引起各種誤差概述與分析-3

時間：2022-8-14閱讀：100

早在 20 世紀 40 年代中期，美國和前蘇聯學者就注意到了溫度對測力指示儀器示值的影響，正確的分析了引起機械測力環溫度誤差的原因，并準確測量出其修正系數為 0.027% ／℃，時至今日還在繼續為各國所使用。同樣以金屬材料為彈性元件組成的稱重傳感器，其溫度誤差與之非常相似，只是影響因素更復雜一些，因為除彈性元件外還有電阻應變計、補償電阻、測量電路的影響。不論是利用正應力還是利用切應力的稱重傳感器，其靈敏度溫度誤差是一個系統誤差，起主要影響的因素是彈性模量 E 的溫度系數 βE。因 βE 為負值，所以環境溫度升高，彈性元件材料的彈性模量 E 降低，稱重傳感器的靈敏度增大，而產生靈敏度溫度誤差。γ 的影響主要取決于電阻應變計敏感柵的電阻合金材料，在一定程度上取決于應變粘接劑、固化工藝規范及敏感柵的幾何形狀。如果彈性元件材料，電阻應變計敏感柵和基底材料以及制造工藝都一樣，圓環式結構比圓柱式和剪切梁式結構的靈敏度溫度誤差要小一些，大約小 6％左右。這說明稱重傳感器靈敏度溫度誤差的影響因素，主要是彈性元件材料的彈性模量 E，其次是電阻應變計靈敏系數和制造工藝，在相當小的程度上與稱重傳感器彈性元件的結構有關。
四、建立數學模型分析稱重傳感器的溫度誤差
應用現代科學技術和分析手段，采用三維數字設計技術是稱重傳感器結構設計的發展方向。運用網絡技術改造生產工藝，實現生產工序和控制系統測試數據自動采集、智能補償等生產線模式是生產工藝創新的主要方向。面對設計、工藝技術的進步，傳統的、就事論事的誤差分析方法，已跟不上稱重傳感器技術發展的需要。必須學習和掌握現代誤差分析手段，建立稱重傳感器各種特性的數學模型，通過計算機預測和推算各類溫度誤差。國內外各制造企業對稱重傳感器溫度誤差的控制，都是采用智能溫度補償方法。即為了減小零點溫度誤差對批量生產的稱重傳感器逐個進行零點溫度補償；為了控制靈敏度溫度誤差，在彈性元件材料、熱處理工藝、電阻應變計、生產工藝流程都保持不變的前提下，采用抽樣測試得出補償電阻值，進行統一補償的方法。國內外稱重傳感器制造企業多年的實踐經驗告訴我們，上述兩種溫度補償方法是比較科學合理、簡便可行的。零點溫度、靈敏度溫度補償技術的一個重要前提是：輸出與溫度變化成線性關系，即補償精度取決于補償前的輸出隨溫度變化的非線性程度。通過分析稱重傳感器的測試數據，來確定各個零點溫度漂移影響因素所起到的作用，以及它們之間的相互關系是非常困難的。因為各個影響因素同時作用而產生單一的稱重傳感器輸出，若將此輸出分解成諸多項，每項分別表示某一因素的作用是不可能的。解決此問題的有效方法是建立稱重傳感器溫度特性的數學模型，用數學公式表示各種影響因素，推導出理論輸出值。若理論輸出與實際輸出比較一致，就可以在計算機上進行試驗，預判各單一因素的影響。
現以粘貼四片電阻應變計的稱重傳感器為例，建立溫度特性的數學模型，其惠斯通電橋電路如設每片電阻應變計的標準電阻值均為 R，因電阻應變計敏感柵長度變化、溫度變化的影響和調阻誤差大等造成的各種偏差之和為 ri，則即為稱重傳感器溫度特性的數學模型，不難看出稱重傳感器的輸出，隨環境溫度變化引起的各種偏差之和而變化。若預測出稱重傳感器性能指標允許的偏差值，就可推算出理論輸出值。如果理論輸出值與實際輸出值一致或接近，就可以在計算機上分析和預判各種單一誤差因素的影響。
1．溫度視應變的數學擬合公式
在理想情況下，粘貼在彈性元件上的電阻應變計，只響應外載荷作用時產生的應變值，而不響應環境溫度變化引起的應變值。但在應用過程中，環境溫度變化會改變應變計的電阻值，這一純粹由溫度變化引起的應變，會被測量儀器當作彈性元件的真實“應變"值而被測量出來，實際為虛假應變，故稱其為視應變，或熱輸出。
稱重傳感器彈性元件產生視應變主要有二個原因：
（1）電阻應變計的電阻率隨溫度變化；
（2）彈性元件與電阻應變計敏感柵的熱膨脹系數不同。誤差主要取決于彈性元件材料和電阻應變計材料及制造工藝，在較小程度上與彈性元件的結構有關。大量試驗證明，對于同類型稱重傳感器來說，靈敏系數溫度誤差的分散度一般均小于 10%，主要是制造工藝引起的，這就為批量進行稱重傳感器靈敏度溫度補償創造了條件。
結束語:稱重傳感器結構設計*性和合理性的一個重要標志，就是盡量減小彈性元件固有的非線性誤差，使其在工作中性能波動減至最小，同時還應該通過有效的電路補償與調整減小各種溫度效應引入的誤差，提高稱重傳感器的準確度、穩定性和可靠性。利用數學模型對引起稱重傳感器非線性、滯后、蠕變等單項誤差和零點、靈敏度溫度誤差的諸因素進行分析和推算，已成為現代稱重傳感器設計和誤差分析的重要手段。本文通過建立稱重傳感器溫度特性的數學模型和利用數學公式對電阻應變計溫度視應變、溫度對靈敏系數的影響進行分析得出：應用各種溫度效應的數學模型和擬合公式，可以在計算機上編程計算出各種情況下電橋輸出隨溫度變化的關系，找出減小溫度誤差的有效方法，提高稱重傳感器的設計和制造水平。

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