衡器電子秤稱重傳感器引起各種誤差概述與分析-1

時間：2022-8-14閱讀：97

傳感器技術的特點是不斷納入新技術、新材料和新工藝，開發新品種、擴展新功能。在我國物聯網 + 產業和人工智能技術的強力牽引下，傳感器技術已經進入由傳統型向全新型轉型發展的關鍵階段，未來傳感器技術發展將呈現出微型化、數字化、多功能化、智能化和網絡化等趨勢，傳感器行業將迎來黃金發展期。為適應物聯網、“中國制造 2025"和人工智能技術對稱重傳感器的新要求，國內外處于市場地位的稱重傳感器制造企業，紛紛進行結構設計模式創新、制造工藝模式創新、形成數字化稱重傳感器技術體系和基礎工藝支撐體系，滿足一部分產品轉型升級的需要。稱重傳感器由傳統型向全新型的轉型發展，從本質上來講，它是基于市場理念的一場體制和機制改革，也是參與市場競爭的必然選擇。今后國內外稱重傳感器制造企業，在市場上比拼的重點將是提升稱重傳感器的技術含量，擴大應用范圍，降低生產成本，滿足物聯網、“中國制造 2025"和人工智能技術的需求。為此，必須深入研究和分析稱重傳感器的有關特性所產生的各項誤差，并準確分析出一些限制因素，找出能夠減小這些特性產生誤差的各種方法。
稱重傳感器主要單項誤差嚴格的說，稱重傳感器承受的載荷 P 與彈性元件應變 ε 的轉換關系是非線性的，引起非線性的因素很多，諸如彈性元件材料的非線性；彈性元件與引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊之間不穩定的摩擦力；局部應力集中干擾應變區，以及彈性元件在載荷作用下幾何尺寸改變和受力點、受力臂變化等。前者可以通過正確選擇彈性元件材料，合理選用熱處理工藝，以及對引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊采用無摩擦設計，避免彈性元件應變區以外有應力點和應力集中等加以解決；后者為彈性元件面積效應和泊松比效應影響，彈性元件受載后幾何尺寸改變或受力點、受力臂變化引起可逆的有規律的非線性誤差，必須通過線性補償加以解決。為此必須研究各種結構彈性元件的固有非線性誤差，現以柱式、懸臂梁式稱重傳感器為例進行分析。
可以推導出承受拉向負荷的圓柱式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
（1）承受壓向負荷的圓柱式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
（2）懸臂梁式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
合理的熱處理工藝，才能提高彈性元件應變的穩定性，這是減小稱重傳感器非線性誤差的基礎和關鍵。
影響稱重傳感器非線性誤差的主要因素：
（1）彈性元件結構設計不合理，應變區的應變程度過高，應變區以外還有應力點或應力集中處，因而導致變形大，必然伴隨出現一定程度的非線性影響；
（2）彈性元件應變區的設計與計算不符合圣文南力的擴散原理，應力分布不均勻，有接觸應力影響；
（3）整體型或集成化結構彈性元件，支承區域剛性差或柔性隔離設計不合理，造成固有線性差；
（4）彈性元件承載、加載邊界條件的影響，主要是底部支承面積、根部固定剛性，壓墊、壓頭的表面形狀、硬度和摩擦系數，螺紋傳遞載荷時的螺紋加工精度和螺紋嚙合面積等設計、選擇不合理，引入了附加載荷和偏心載荷；
（5）彈性元件金屬材料與熱處理工藝規范選擇不當，使應變區的硬度過高或過低，材料未能達到設計的彈性性能，材料綜合性能未達到相當于功能材料的有關要求；
（6）關鍵制造工藝流程中存在某些細節差錯，例如粘貼電阻應變計膠粘劑層較厚，影響彈性件應變有效傳遞；應變膠粘劑固化和后固化溫度和保溫時間有誤，應變膠粘劑未能充分固化使其彈性模量達不到預定要求；
（7）小量程彈性元件表面防護與密封材料質量差或涂敷工藝不合理，過厚、過硬參與剛度，直接影響應變梁變形；
（8）圓柱式彈性元件的線性補償精度偏低，半導體線性補償電阻應變計溫度系數大或線性補償微調電阻精度低、溫度系數大；
（9）雙剪梁型（橋式）彈性元件兩端緊固螺栓變形或松動，墊圈變形，底座剛度偏小等，均可產生非線性誤差；
（10）對于焊接密封結構，焊接膜片的材料、形狀、厚度和焊接工藝影響，使膜片分流的靈敏度偏大且與載荷不呈線性關系。
2. 滯后誤差
滯后誤差通常定義為：對同一外載荷值，稱重傳感器進程（輸入量增大）與回程（輸入量減?。┹敵鰷y量值之差。也就是說，對應同一大小的輸入信號，稱重傳感器正、反行程的輸出信號的大小卻不相等，這就是滯后誤差。大多數稱重傳感器的滯后誤差回線通常為雪茄形，回線的寬度由加荷
循環的幅度決定。測量滯后時，總是存在蠕變和蠕變恢復所產生的某些影響，因此要求滯后試驗應在很短的時間內完成。
稱重傳感器滯后誤差與彈性元件的結構和熱處理工藝、電阻應變計基底和應變膠粘劑層的厚度有較大關系，歸納起來影響滯后誤差的主要因素有：
（1）彈性元件承載面與下壓墊接觸面設計不合理，主要是接觸面積過大，壓墊材料摩擦系數大等。當彈性元件受載時，底面必然產生一個向外移動的力矩，在卸掉載荷時由于底面摩擦力矩存在，使底面向回移動的力矩小于變形時向外移動的力矩，阻滯了彈性元件變形的恢復而產生滯后誤差。
（2）彈性元件應變區與支承邊界設計不合理，固有滯后大，比較典型的結構就是輪輻式稱重傳感器。輪箍變形位移量與其剛度密切相關，剛度大，變形位移小，底摩擦作用時間短，輪輻應變恢復快，滯后小，反之滯后大。因此，輪轂、輪箍剛度應足夠大，確保輪輻與輪轂、輪箍連接處轉角為零。
（3）雙剪梁型稱重傳感器邊界條件對滯后的影響較大，其雙剪梁彈性元件與底座接觸面的滑動是產生滯后誤差的重要原因。在加、卸載過程中，雙剪梁彈性元件與底座滑動方向相反，因此作用在彈性元件上的摩擦力方向也相反，正是此摩擦力造成應變區剪應力變化。接觸面摩擦系數大，隨著載荷的增加滯后的值由小變大。盲孔中心到彈性元件支撐端面的距離太小，摩擦力對應變區影響也較大。

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